DE3919571A1 - Laser beam intensity profile measuring arrangement - has attenuator with IR transmitting substrate and low transmissivity coating regions in front of detector array - Google Patents
Laser beam intensity profile measuring arrangement - has attenuator with IR transmitting substrate and low transmissivity coating regions in front of detector arrayInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls mit einer Detektoreinrichtung.The invention relates to a device for measuring the Intensity profile of a laser beam with a Detector device.
Eine derartige Vorrichtung ist bspw. aus der US-Z "AVIATION WEEK & SPACE TECHNOLOGY", 29. 2. 1988, Seiten 30 und 33 bekannt. Bei dieser Vorrichtung weist die Detektoreinrichtung ein Detektorarray auf, welches den größten Teil der Energie eines eingestrahlten Laserstrahls reflektiert. Ein sehr kleiner Anteil der Laserstrahlenergie wird gegen hunderte von Dektoren gerichtet, die hinter schützenden reflektierenden Flächen angeordnet sind. Das Detektorarray ist sandwichartig aus Aluminium, Kupfer, einem Verbundmaterial namens Fiberfrax, Teflon und Glasfiber ausgebildet. Das dem Laserstrahl direkt zugewandte Aluminium ist mit Gold beschichtet, um den größten Teil der Laserenergie zu reflektieren. Mehr als dreihundert konisch verjüngt ausgebildete Löcher durchdringen die Aluminiumplatte. Unmittelbar hinter der mit den Durchgangslöcher ausgebildeten Aluminiumplatte ist eine goldbeschichtete Kupferscheibe angeordnet, die mit sehr kleinen Löchern versehen ist. Hinter den kleinen Löchern der Kupferscheibe sind die Detektoren angeordnet, bei denen es sich um Temperatursensoren handelt. Diese Temperatursensoren sind dazu geeignet, schnell auftretende Temperaturänderungen anzuzeigen, so daß es mit ihrer Hilfe möglich ist, das Intensitätsprofil eines Laserstrahls zu bestimmen. Diese Vorrichtung benötigt jedoch durch die in der Aluminiumplatte vorgesehenen konisch verjüngten Durchgangslöcher und durch die entsprechend verteilten kleinen Löcher in der Kupferscheibe einen relativ großen Platz.Such a device is, for example, from US-Z "AVIATION WEEK & SPACE TECHNOLOGY ", February 29, 1988, pages 30 and 33 known. In this device, the detector device a detector array, which takes up most of the energy of an incident laser beam is reflected. A very Small portion of the laser beam energy is used against hundreds of Detectors directed behind protective reflective Surfaces are arranged. The detector array is sandwich-like made of aluminum, copper, a composite material called Fiberfrax, Teflon and glass fiber trained. That the Laser directly facing aluminum is gold coated to most of the laser energy too reflect. More than three hundred tapered trained holes penetrate the aluminum plate. Immediately behind that formed with the through holes Aluminum plate is a gold-coated copper disc arranged, which is provided with very small holes. Behind the small holes in the copper disc are the detectors arranged, which are temperature sensors. These temperature sensors are suitable for fast display occurring temperature changes, so that it with their help is possible, the intensity profile of a To determine the laser beam. However, this device requires through the conical provided in the aluminum plate tapered through holes and through the corresponding distributed small holes in the copper disc a relatively great place.
Eine andere Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls ist aus der DE 37 06 271 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist durch den Laserstrahl bewegbare Lochblenden, eine Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls und mindestens einen in Strahlungsrichtung hinter den Lochblenden angeordneten Strahlungsdetektor auf. Dort sind die Lochblenden in einer dünnen Folie ausgeformt, die auf einer im Raum gekrümmten Bahn bewegt wird.Another device for measuring the intensity profile a laser beam is known from DE 37 06 271 A1. These Device has movable by the laser beam Pinhole, a device for focusing the Laser beam and at least one in the direction of radiation behind the pinhole arranged radiation detector. There the pinholes are formed in a thin film, which is moved on a curved path in space.
Aus der US-A 41 41 652 ist ein Sensorsystem zur Bestimmung der Wellenfront eines Lichtstrahles bekannt, das einen Wellenfrontsensor vom sog. Hartmann-Typ aufweist. Dort ist die Detektoreinrichtung als Detektorarray ausgebildet, wobei jedem einzelnen Detektor des Detektorarrays eine Sammellinse eines Sammellinsenarrays zugeordnet ist. Die einzelnen Detektoren des Detektorarrays sind als sog. Quad-Cells ausgebildet, die jeweils vier Sensorquadranten aufweisen. Entsprechend dem Phasenprofil des Strahls werden die die einzelnen Sammellinsen durchdringenden Laserteilstrahlen jeweils zu bestimmten Quadranten der zu den einzelnen Sammellinsen zugehörigen Detektoren, d.h. Quad-Cells fokussiert, woraus sich zwar noch nicht unmittelbar eine Intensitätsinformation ergibt aber doch ein Rückschluß auf die Wellenfrontgeometrie Strahles möglich ist. Zur Intensitätsaussage wird dem zu vermessenden Strahl ein Vergleichsstrahl mit einer ebenen Wellenfront überlagert.A sensor system for determination is known from US-A 41 41 652 the wavefront of a beam of light known to one Has a so-called Hartmann-type front sensor. There is the detector device is designed as a detector array, wherein a single lens for each individual detector of the detector array a lens array is assigned. The single ones Detectors of the detector array are known as quad cells formed, each having four sensor quadrants. According to the phase profile of the beam, the individual collective lenses penetrating partial laser beams in each case to certain quadrants of that to the individual Detectors associated with converging lenses, i.e. Quad cells focused, which is not yet a direct result Intensity information nevertheless gives a conclusion the wavefront geometry of the beam is possible. To Intensity statement is the beam to be measured Comparison beam overlaid with a flat wavefront.
In der US-Z "Rev. Sci. Instrum. 55 (11)", November 1984, Seiten 1777 und 1778, ist eine Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls beschrieben, die zur Fokussierung des Laserstrahls eine Linse aufweist, und die im fokussierten Strahlenabschnitt des Laserstrahls hinter der Linse zur Reflexionsablenkung des fokussierten Strahlenabschnittes mit einem Spiegel ausgebildet ist. In der Nachbarschaft des Spiegels ist ein die Detektoreinrichtung bildender Detektor vorgesehen, der einen Ausgang aufweist, an dem eine der Intensität des auf den Detektor auftreffenden Laserstrahles entsprechende elektrische Größe ansteht. Bei dieser Einrichtung führt der Spiegel um eine Lagerachse herum eine Rotationsbewegung aus. Dazu ist eine Antriebseinrichtung erforderlich, die einen nicht zu vernachlässigenden Platzbedarf besitzt. Außerdem ergeben sich dort relativ lange Totzeiten, d.h. Zeitdauern, während welcher der Laserstrahl nicht gegen die Detektoreinrichtung gerichtet ist. Da außerdem bei dieser Vorrichtung die Eintrittsöffnung für den Laserstrahl nur als schmaler Schlitz ausgebildet ist, ist es erforderlich, die gesamte Vorrichtung entlang zweier voneinander verschiedener Raumrichtungen zu verschwenken, um das gesamte Intensitätsprofil eines Laserstrahles detektieren zu können. Das ist jedoch nur mit einem relativ großen Konstruktionsaufwand realisierbar.In US-Z "Rev. Sci. Instrum. 55 (11)", November 1984, Pages 1777 and 1778, is a device for measuring the Intensity profile of a laser beam described, which for Focusing the laser beam has a lens, and the im focused beam section of the laser beam behind the Lens for deflecting the reflection of the focused Beam section is formed with a mirror. In the The mirror is in the vicinity of the detector device providing detector is provided, which has an output the one of the intensity of the incident on the detector Laser beam corresponding electrical quantity is present. At In this device, the mirror leads around a bearing axis a rotational movement. For this is a drive device required, the one not negligible Owns space. In addition, there are relative long dead times, i.e. Periods during which the Laser beam is not directed against the detector device is. In addition, since the inlet opening in this device is designed as a narrow slit for the laser beam, it is necessary to run the entire device along two to pivot different spatial directions in order to detect the entire intensity profile of a laser beam to be able to. However, that is only with a relatively large one Design effort feasible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die apparativ einfach ausgebildet und die zur hochauflösenden Messung des Intensitätsprofiles eines Hochenergie-Laserstrahles geeignet ist, ohne seine Fokusregelung zu beeinträchtigen.The invention has for its object a device of the type mentioned to create the apparatus simple trained and for high-resolution measurement of the Intensity profile of a high-energy laser beam suitable is without affecting its focus control.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektoreinrichtung als Detektorarray ausgebildet ist, daß in Strahlungsrichtung des Laserstrahles vor dem Detektorarray eine Intensitätsabschwächungseinrichtung angeordnet ist, daß die Intensitätsabschwächungseinrichtung ein Infrarotstrahlen- durchlässiges Substrat und auf dem Substrat auf der vom Detektorarray abgewandten Vorderseite voneinander verschiedene aneinander angrenzende Beschichtungen geringer Durchlässigkeit aufweist, daß das Detektorarray flächig zusammenhängend eine die Pixelzahl festlegende Vielzahl eng nebeneinander angeordnete Infrarotstrahlen-empfindliche Elemente aufweist, und daß das Detektorarray mit der Intensitätsabschwächungseinrichtung zusammenschaltbar ist. Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich, die Laserstrahlintensität zeitlich und örtlich aufgelöst zu ermitteln. Dabei erfolgt die Ermittlung der Laserstrahlintensität in der Fokusebene bei vorgebbaren Reflexions- d.h. Rückstreuverhältnissen und einstellbarem Kontrast in der die Fokusebene bildenden Targetebene.This object is achieved in that the Detector device is designed as a detector array that in the radiation direction of the laser beam in front of the detector array an intensity attenuation device is arranged that the intensity attenuation device an infrared radiation permeable substrate and on the substrate on the from Detector array facing away from each other different contiguous coatings less Permeability has that the detector array flat contiguously a large number defining the number of pixels juxtaposed infrared rays sensitive Has elements, and that the detector array with the Intensity attenuation device can be interconnected. With such a device it is possible to Laser beam intensity resolved temporally and locally determine. The determination of the Laser beam intensity in the focal plane at predefinable Reflective i.e. Backscatter ratios and adjustable Contrast in the target plane forming the focus plane.
Die eine Beschichtung ist vorzugsweise kreisförmig und die zweite Beschichtung ist vorzugsweise kreisringförmig ausgebildet. The one coating is preferably circular and the second coating is preferably annular educated.
Zwischen dem Infrarotstrahlen-durchlässigen Substrat und dem Detektorarray ist vorzugsweise ein schichtförmiges Abschwächelement vorgesehen. Dieses Abschwächelement ist gleichzeitig insbes. zur mechanisch festen Verbindung des Detektorarrays mit dem die Beschichtungen aufweisenden Substrat vorgesehen. Das Substrat besteht bspw. aus Germanium. Je nach der Leistung des Laserstrahls, dessen Intensitätsprofil bestimmt werden soll, kann es erforderlich sein, eine Kühlungseinrichtung vorzusehen.Between the infrared ray transparent substrate and the Detector array is preferably a layered one Attenuation element provided. This weakening element is at the same time especially for the mechanically firm connection of the Detector arrays with the one having the coatings Provided substrate. The substrate consists of, for example Germanium. Depending on the power of the laser beam, its Intensity profile to be determined, it may be necessary be to provide a cooling device.
Im zentralen Bereich des Laserstrahls erfolgt eine gerichtete Reflexion, während außerhalb dieses zentralen Bereiches eine diffuse Streuung erfolgt. Somit ergibt sich zwischen dem zentralen Bereich und diesen umgebenden diffusen Streubereich ein definierter Kontrast.In the central area of the laser beam there is a directed one Reflection while outside this central area a diffuse scattering occurs. Thus between the central area and this surrounding diffuse scattering area a defined contrast.
Das Detektorarray, bei dem es sich z.B. um pyroelektrische Detektoren handeln kann, ist - wie bereits ausgeführt wurde - vorzugsweise zur örtlichen und/oder zur dynamischen Messung des Intensitätsprofiles des Laserstrahles vorgesehen.The detector array, which is e.g. around pyroelectric Detectors can act, as has already been said, preferably for local and / or dynamic measurement the intensity profile of the laser beam is provided.
Dabei kann das Detektorarray ein Infrarotsensorarray oder, wenn die Meßanforderungen bzgl. Orts- und Zeitauflösung geringer sind, auch eine handelsübliche Infrarotkamera sein.The detector array can be an infrared sensor array or, if the measurement requirements with regard to location and time resolution are less, can also be a commercially available infrared camera.
Die oben beschriebene Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Einstellung reproduzierbarer Kontrastverhältnisse durch die unterschiedlichen Beschichtungen des Kreises und des Kreisringes. Dabei kann der zentrale Bereich zweidimensional, d.h. eben oder dreidimensional insbesondere für eine Korrektur von Abbildungsfehlern zwischen dem Substrat und dem Array, die sonst bei der Auswertung elektrisch berücksichtigt werden müßten, geformt sein. Er läßt sich in seiner Geometrie den zu erwartenden Fokusfleckverhältnissen anpassen. Die trotz der Beschichtungen verbleibende geringe Laserstrahl-Transmission durch das Substrat hindurch, ermöglicht in vorteilhafter Weise auch das Aussteuern eines vergleichsweise unempfindlichen Detektors wie bspw. eines pyroelektrischen Detektors. Das Substrat sollte eine möglichst geringe Absorption aufweisen, weshalb es relativ dünnwandig ausgebildet wird. Eine Zeitauflösung bis ca. 1 kHz ist mit pyroelektrischen Detektoren erzielbar. Mit Halbleiterdetektoren ist im Vergleich hierzu eine Zeitauflösung bis in den MHz-Bereich möglich. Die Ortsauflösung wird durch die Größe des Detektorarrays bzw. insbes. durch seine Pixelzahl bestimmt. Das Infrarotbild zur Analyse des Laserstrahls kann sich auf den zentralen Kreisbereich beschränken, der die Sollgröße des Fokus bestimmt. Das Infrarotbild kann jedoch auch über diesen zentralen Kreisbereich hinaus ausgedehnt werden. Das ermöglicht die Ermittlung der gesamten Fokussierdynamik, sowie durch Aufintegration der Flächen des Kreises und des Kreisringes und durch anschließende Quotientenbildung die Bestimmung des Gütemaßes für die Meßleistung der Vorrichtung. Infolge seiner vorteilhaften Kompaktheit läßt sich diese Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles auch mobil auslegen, d.h. es ist für bewegte Targets verwendbar.The device described above advantageously enables Way of setting reproducible contrast ratios due to the different coatings of the circle and of the circular ring. The central area two-dimensional, i.e. flat or three-dimensional in particular for a correction of aberrations between the substrate and the array, which is otherwise electrical when evaluating should be taken into account, shaped. He can be in its geometry the expected focus spot conditions to adjust. The small one remaining despite the coatings Laser beam transmission through the substrate, also advantageously enables the control of one comparatively insensitive detector such as one pyroelectric detector. The substrate should be one have the lowest possible absorption, which is why it is relative is thin-walled. A time resolution up to approx. 1 kHz can be achieved with pyroelectric detectors. With In comparison, semiconductor detectors are one Time resolution up to the MHz range possible. The The spatial resolution is determined by the size of the detector array or determined in particular by its number of pixels. The infrared image for Analysis of the laser beam can focus on the central Limit the area of the circle that is the target size of the focus certainly. However, the infrared image can also be seen through this central circular area can be extended. The enables the determination of the entire focusing dynamics, and by integrating the areas of the circle and the Circular ring and by subsequent quotient formation the Determination of the quality measure for the measuring performance of the Contraption. As a result of its advantageous compactness this device for measuring the intensity profile design of a laser beam also mobile, i.e. it is for moving targets can be used.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe im Wege der Phasenmessung zur Wellenfrontanalyse wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Sammellinsenarray, ein in der Richtung des Laserstrahls nach dem Sammellinsenarray angeordnetes, die Detektoreinrichtung bildendes Detektorarray, wobei jeder Sammellinse im Detektorarray ein Vierquadranten-Detektor zugeordnet ist, und eine mit dem Detektorarray verbundene elektronische Regeleinrichtung zur Fehlerkompensation vorgesehen ist, daß in Laufrichtung des Laserstrahls vor dem Sammellinsenarray ein Array optischer Reflexionselemente angeordnet ist, wobei die einzelnen optischen Reflexionselemente jeweils einer bestimmten Sammellinse zugeordnet sind, daß jedes Reflexionselement mittels einer Antriebseinrichtung um zwei gegeneinander geneigte Raumachsen verschwenkbar ist und daß die einzelnen Antriebseinrichtungen mit der elektronischen Regeleinrichtung zur Einstellung der Brennpunkte der zu den einzelnen Sammellinsen zugehörigen Teilstrahlen auf das Zentrum des jeweiligen Vierquadranten-Detektors verbunden sind. Im Vergleich zu der aus der eingangs zitierten US-A 41 41 652 bekannten Vorrichtung ergibt sich der Vorteil, daß mechanische Toleranzen derselben und mögliche Temperaturdriften eliminiert sind. Durch den Einsatz von um zwei Raumachsen kippbaren bzw. verschwenkbaren Reflexionselementen wird durch die Regeleinrichtung der Brennpunkt jedes Laserteilstrahles stets in das Zentrum des zugehörigen Detektors abgebildet. Bei einem einfallenden Laserstrahl mit einer ebenen Wellenfront entspricht dann die Auslenkung der einzelnen Reflexionselemente den optischen Sensorfehlern.To solve the problem underlying the invention in One way is the phase measurement for the wavefront analysis Proposed device, which is characterized in that a converging lens array, one in the direction of the Laser beam arranged after the converging lens array, the Detector array forming detector array, each A four-quadrant detector converging lens in the detector array is assigned, and one connected to the detector array electronic control device for error compensation it is provided that before in the direction of the laser beam the array of lens arrays an array of optical reflection elements is arranged, the individual optical Reflection elements each of a certain converging lens are assigned that each reflection element by means of a Drive device around two mutually inclined spatial axes is pivotable and that the individual Drive devices with the electronic control device to adjust the focal points of the individual Partial beams associated with converging lenses at the center of the respective four-quadrant detector are connected. in the Comparison to that from US-A 41 41 652 cited at the beginning known device, there is the advantage that mechanical tolerances of the same and possible Temperature drifts are eliminated. By using um two spatial axes that can be tilted or swiveled Reflection elements is controlled by the control device Focus of each laser beam always in the center of the associated detector mapped. With an incident Laser beam with a flat wavefront then corresponds to that Deflection of the individual reflection elements the optical Sensor errors.
Jedes optische Reflexionselement ist vorzugsweise um zwei zueinander mindestens annähernd senkrecht ausgerichtete Raumachsen verschwenkbar. Dadurch ist zur Kompensation systematischer und/oder zufälliger Fehler eine optimale Regelbarkeit bzw. Einstellung der Reflexionselemente möglich.Each optical reflection element is preferably two aligned at least approximately perpendicular to each other Space axes can be swiveled. This is for compensation systematic and / or random errors an optimal one Controllability or adjustment of the reflection elements possible.
Die elektronische Regeleinrichtung kann eine Regelbandbreite aufweisen, die der Meßbandbreite entspricht. In diesem Fall stehen die zusätzlichen Schwenkungen bzw. Kippungen der Reflexionselemente für die deformierte Wellenfront. Die durch die Detektorflächen begrenzte Aussteuerbarkeit wird hierbei von den maximalen Kippwinkeln bestimmt. Mit einer solchen Regeleinrichtung können nur zeitinvariante Korrektoren vorgenommen, d.h. Fehler beseitigt werden.The electronic control device can have a control bandwidth have, which corresponds to the measurement bandwidth. In this case are the additional swings or tilts of Reflective elements for the deformed wavefront. By The detector areas are limited controllability determined by the maximum tilt angles. With one Control devices can only use time invariant correctors made, i.e. Errors are eliminated.
Um auch zeitinvariante Fehler wie relativ langsam ablaufende Temperaturdriften beseitigen zu können, ist es möglich, daß die elektronische Regeleinrichtung eine Regelbandbreite aufweist, die kleiner ist als die Meßbandbreite. Dazu dient eine ebene Wellenfront als Referenz. Die Korrekturinformationen werden als Voreinstellung (offset) abgespeichert.To also time invariant errors like relatively slow ones To be able to eliminate temperature drifts, it is possible that the electronic control device has a control bandwidth has that is smaller than the measurement bandwidth. It serves a flat wavefront for reference. The Correction information is provided as a default (offset) saved.
Zwischen dem Sammellinsenarray und dem Detektorarray kann eine zur Maßstabtransformation dienende Optikeinrichtung angeordnet sein, die zwischen der Fokusebene der Sammellinsen-Teilstrahlen und dem Detektorarray vorgesehen ist. Durch die Anwendung einer Optikeinrichtung zur Maßstabtransformation ist es bspw. möglich, ein handelsübliches Detektorarray der Abmessungen 6,4×6,4 mm2 mit einer Pixelgröße von 740 µm×740 µm und einem Spalt von 60 µm zu verwenden. Dieses Detektorarray weist demnach 8×8 einzelne Detektoren auf.An optical device for scale transformation, which is provided between the focal plane of the partial lens beams and the detector array, can be arranged between the converging lens array and the detector array. By using an optical device for scale transformation, it is possible, for example, to use a commercially available detector array of dimensions 6.4 × 6.4 mm 2 with a pixel size of 740 μm × 740 μm and a gap of 60 μm. This detector array accordingly has 8 × 8 individual detectors.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls mit einer Detektoreinrichtung. Es zeigt:Further details, features and advantages result from the following description of in the drawing schematically illustrated embodiments of the Device according to the invention for measuring the Intensity profile of a laser beam with a Detector device. It shows:
Fig. 1 eine abschnittweise Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls mit einer Detektoreinrichtung in einer Seitenansicht, Fig. 1 a sectional view of a first embodiment of the device for measuring the intensity profile of a laser beam with a detector device in a side view;
Fig. 2 eine Ansicht der Vorrichtung gem. Fig. 1 in Blickrichtung des Pfeiles II, Fig. 2 is a view of the device acc. Fig. 1 viewed in the direction of the arrow II,
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Funktionszusammenhanges zwischen der Laserstrahlintensität I mit der Zeit t, Fig. 3 is a graphical representation of the functional relationship between the laser beam intensity I with time t,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls, Fig. 4 is a schematic representation of a second embodiment of the device for measuring the intensity profile of a laser beam,
Fig. 5 eine räumliche vergrößerte Darstellung eines der Reflexionselementes des Reflexionselementarrays gem. Fig. 3, und Fig. 5 is a spatial enlarged representation of one of the reflection element of the reflection element array according to. Fig. 3, and
Fig. 6 eine schematische Darstellung der zwischen dem Detektorarray und dem Sammellinsenarray angeordneten Optikeinrichtung zur Maßstabtransformation. Fig. 6 is a schematic representation of which is arranged between the detector array and the converging lens array optical device to scale transformation.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles 12 mit Hilfe einer Detektoreinrichtung 14. Der Laserstrahl 12 weist einen zentralen Bereich 16 mit einer gerichteten Reflexion sowie einen den zentralen Bereich 16 umgebenden Bereich 18 auf, in welchem eine diffuse Streuung des Laserstrahls 12 erfolgt. Fig. 1 shows a device 10 for measuring the intensity profile of a laser beam 12 with the aid of a detector means 14. The laser beam 12 has a central area 16 with a directional reflection and an area 18 surrounding the central area 16 , in which the laser beam 12 is diffused.
Die Vorrichtung 10 weist ein Substrat 20 auf, das mit voneinander verschiedenen Beschichtungen 22 und 24 auf der dem Laserstrahl 12 zugewandten Seite bedeckt ist. Die Beschichtungen 22 und 24 weisen eine geringe Durchlässigkeit, d.h. eine geringe Transmission auf. Demgegenüber weist das Substrat 20 eine Durchlässigkeit für Infrarotstrahlen auf. The device 10 has a substrate 20 which is covered with mutually different coatings 22 and 24 on the side facing the laser beam 12 . The coatings 22 and 24 have a low permeability, ie a low transmission. In contrast, the substrate 20 is transparent to infrared rays.
Auf der von den Beschichtungen 22 und 24 abgewandten Rückseite des Substrates 20 ist die Detektoreinrichtung 14 vorgesehen, die als Detektorarray eine Vielzahl eng nebeneinander angeordneter Detektoren 26 aufweist. Durch die Anzahl Detektoren 26 ist die Pixelzahl festgelegt. Zwischen dem Substrat 20 und der Detektoreinrichtung 14 ist ein schichtförmiges Abschwächelement 28 vorgesehen, das gleichzeitig zu Befestigungszwecken dient. Bei dem in Fig. 1 gezeichneten Detektorarray handelt es sich um eine flächige Detektoreinrichtung 14, d.h. um ein zweidimensionales Detektorarray. Es ist jedoch auch möglich, die Detektoreinrichtung 14 wunschgemäß räumlich, d.h. dreidimensional zu gestalten. Die Vorrichtung 10 ist demnach an jede beliebige Geometrie des Glints anpaßbar.The detector device 14 is provided on the rear side of the substrate 20 facing away from the coatings 22 and 24 and, as the detector array, has a large number of detectors 26 arranged closely next to one another. The number of pixels is determined by the number of detectors 26 . A layered attenuation element 28 is provided between the substrate 20 and the detector device 14 and serves at the same time for fastening purposes. The detector array shown in FIG. 1 is a flat detector device 14 , ie a two-dimensional detector array. However, it is also possible to design the detector device 14 spatially, ie three-dimensionally, as desired. The device 10 is therefore adaptable to any geometry of the glints.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Beschichtung 22 kreisförmig ausgebildet und von der Beschichtung 24 umgeben.As can be seen from FIG. 2, the coating 22 is circular and is surrounded by the coating 24 .
Anstelle eines Infrarotsensorarrays kann - wie weiter oben ausgeführt worden ist - bei geringen Anforderungen an die Orts- und/oder Zeitauflösung auch eine Infrarotkamera zur Anwendung gelangen.Instead of an infrared sensor array - as above has been carried out - with low demands on the An infrared camera for location and / or time resolution Application.
In Fig. 3 ist auf der linken Seite ein Ausschnitt des Intensitätsprofiles I=I(r) zu einem bestimmten Zeitpunkt t1 gezeichnet. Mit Hilfe des Detektors 44 wird die Intensität I zwischen den beiden Punkten 68 gemittelt, so daß sich am Ausgang 48 der Detektoreinrichtung 14 eine durch die dünne strichlierte Linie angedeutete gemittelte Intensität I1 ergibt. Zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem sich das Intensitätsprofil bspw. zu den Punkten 70 verschoben hat, ergibt sich eine mittlere Intensität I2, die kleiner ist als I1. Auf der rechten Seite der Fig. 3 ist der Funktionszusammenhang zwischen der Intensität I und der Zeit t angedeutet. Zum Zeitpunkt t1 ist die mittlere Intensität I1. Zum Zeitpunkt t2 beträgt die mittlere Intensität I2. Durch eine von der Größe des Detektors 44 abhängige Filterwirkung ergibt sich zum Zeitpunkt t1 zwischen den beiden Punkten 72 eine mittlere Intensität I1F, die größer ist als I1, wie auch aus dem rechten Bild der Fig. 3 ersichtlich ist. Zum Zeitpunkt t2 liegt die schmalbandig gefilterte Intensität des Laserstrahls zwischen den Punkten 74, so daß sich eine mittlere Intensität I2F ergibt, die von I2 üblicherweise verschieden sein wird. Durch diese Filterung ist eine sehr genaue Intensitätsprofilmessung sowohl nach dem Ort als auch nach der Zeit möglich. Das bedeutet jedoch, daß mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung online-Messungen, d.h. Realtime-Messungen möglich sind.In Fig. 3 a section of the intensity profile I = I (r) at a particular time t 1 is drawn on the left. With the aid of the detector 44 , the intensity I is averaged between the two points 68 , so that an average intensity I 1 indicated by the thin dashed line results at the output 48 of the detector device 14 . At a later point in time, at which the intensity profile has shifted to points 70 , for example, there is an average intensity I 2 that is less than I 1 . The functional relationship between the intensity I and the time t is indicated on the right side of FIG. 3. At time t 1 , the mean intensity is I 1 . At time t 2 , the average intensity is I 2 . A filter effect that depends on the size of the detector 44 results in an average intensity I 1 F at the time t 1 between the two points 72 , which is greater than I 1 , as can also be seen from the right-hand image in FIG. 3. At time t 2 , the narrow-band filtered intensity of the laser beam lies between points 74 , so that an average intensity I 2 F results, which will usually be different from I 2 . This filtering enables a very precise measurement of the intensity profile both by location and by time. However, this means that online measurements, ie real-time measurements, are possible with the aid of the device described.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls 12. Auch in dieser Figur ist das Intensitätsprofil des Laserstrahles 12 durch die Kurve 30 schematisch angedeutet, um zu verdeutlichen, daß der Laserstrahl 12 keine ebene Wellenfront besitzt. Mit der Bezugsziffer 72 ist ein Reflexionselement bezeichnet, an dem der Laserstrahl 12 zu einem Array 74 von Reflexionselementen 76 reflektiert wird. Von den Reflexionselementen 76 wird der Laserstrahl 12 in Teilstrahlen 78 aufgeteilt, die zu einem Sammellinsenarray 80 gelenkt werden. Das Sammellinsenarray 80 weist eine Anzahl Sammellinsen 82 auf, wobei die Anzahl Sammellinsen 82 der Anzahl Reflexionselemente 76 entspricht. Die Laserteilstrahlen 78 sind durch ihre Mittellinien angedeutet. In Laufrichtung hinter dem Sammellinsenarray 80 ist ein die Detektoreinrichtung 14 bildendes Detektorarray vorgesehen, das weiter unten in Verbindung mit Fig. 6 detailliert beschrieben wird. Die Detektoreinrichtung 14 weist eine Anzahl Ausgänge 84 auf, von denen nur zwei in ihrem weiteren Schaltungsverlauf gezeichnet sind, während die übrigen nur als kurze Striche angedeutet sind. Die Anzahl Ausgänge 84 entspricht der Anzahl Sammellinsen 82 bzw. Reflexionselemente 76. Jeder Ausgang 84 ist mit einer dynamischen Korrektureinheit 86 verbunden. Jede dynamische Korrektureinheit 86 weist außerdem einen Eingang 88 zur Eingabe von Aufbaufehlern der Vorrichtung 10 auf. Eine zur Ermittlung von Umwelteinflüssen vorgesehene Einrichtung 90 weist eine der Anzahl Korrektureinheiten 86 entsprechende Anzahl Ausgänge 92 auf, die mit den jeweiligen dynamischen Korrektureinheiten 86 verbunden sind. Die Einrichtung 90 zur Ermittlung von Umwelteinflüssen wie bspw. eines Vibrationsspektrums ist mit Sensoren 84 verbunden, außerdem sind die dynamischen Korrektureinheiten 86 zur Einrichtung 90 rückgekoppelt, was durch die Pfeile 86 angedeutet ist. Die Ausgänge der dynamischen Korrektureinheiten 86 sind mit den zugehörigen Reflexionselementen 76 bzw. mit den Antriebseinrichtungen 88 für die Reflexionselemente 76 verbunden. Ausgänge 100, von denen nur zwei angedeutet sind, sowie Ausgänge 102, von denen ebenfalls nur zwei angedeutet sind, dienen zur Auswertung der Wellenfront, d.h. zur Auswertung des Intensitätsprofiles des Laserstrahles 12. An den Ausgängen 100 entspricht die Regelkreisbandbreite der Meßbandbreite. Im Gegensatz dazu ist die Bandbreite des Regelkreises an den Ausgängen 102 kleiner als die Meßbandbreite. FIG. 4 shows a further embodiment of the device 10 for measuring the intensity profile of a laser beam 12 in a schematic illustration. In this figure, too, the intensity profile of the laser beam 12 is indicated schematically by the curve 30 in order to clarify that the laser beam 12 has no plane wavefront. The reference numeral 72 denotes a reflection element on which the laser beam 12 is reflected to an array 74 of reflection elements 76 . The laser beam 12 is divided by the reflection elements 76 into partial beams 78 , which are directed to a converging lens array 80 . The converging lens array 80 has a number of converging lenses 82 , the number of converging lenses 82 corresponding to the number of reflection elements 76 . The partial laser beams 78 are indicated by their center lines. A detector array forming the detector device 14 is provided in the running direction behind the converging lens array 80 and is described in detail below in connection with FIG. 6. The detector device 14 has a number of outputs 84 , of which only two are shown in their further circuit diagram, while the others are only indicated as short lines. The number of outputs 84 corresponds to the number of converging lenses 82 or reflection elements 76 . Each output 84 is connected to a dynamic correction unit 86 . Each dynamic correction unit 86 also has an input 88 for inputting construction errors of the device 10 . A device 90 provided for determining environmental influences has a number of outputs 92 corresponding to the number of correction units 86 , which are connected to the respective dynamic correction units 86 . The device 90 for determining environmental influences, such as a vibration spectrum, is connected to sensors 84 , and the dynamic correction units 86 are also fed back to the device 90 , which is indicated by the arrows 86 . The outputs of the dynamic correction units 86 are connected to the associated reflection elements 76 or to the drive devices 88 for the reflection elements 76 . Outputs 100 , of which only two are indicated, and outputs 102 , of which only two are also indicated, are used for evaluating the wavefront, ie for evaluating the intensity profile of the laser beam 12 . The control loop bandwidth at the outputs 100 corresponds to the measurement bandwidth. In contrast, the bandwidth of the control loop at the outputs 102 is smaller than the measurement bandwidth.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist jedes Reflexionselement 76 um zwei Raumachsen 104 und 106 verschwenkbar. Damit ist es möglich, das/jedes Reflexionselement 76 in jede beliebige Raumrichtung einzustellen. Zu diesem Zweck sind zwei die Antriebseinrichtung 98 (sh. Fig. 4) bildende Antriebe 108 und 110 vorgesehen. Bei diesen Antrieben 108 und 110 handelt es sich bspw. um kleine Elektromotoren, um Piezoelemente o.dgl. Mit Hilfe des Antriebes 108 ist das Reflexionselement 76 in Bezug auf ein Rahmenelement 112 um die Raumachse 104 verschwenkbar. Das Rahmenelement 112 ist mittels des Antriebes 110 in Bezug auf eine Basis 114, die durch zwei beliebige Flächenabschnitte angedeutet ist, um die Raumachse 106 verschwenkbar. Bei einer gleichzeitigen Aktivierung der beiden Antriebe 108 und 110 ist es demnach möglich, das Reflexionselement 76 in jeden beliebigen Raumwinkel einzustellen. Das erfolgt mittels der in Fig. 4 mit der Bezugsziffer 116 angedeuteten elektronischen Regeleinrichtung.5 is as shown in FIG., Each reflective element 76 is about two spatial axes 104 and 106 pivot. It is thus possible to adjust the / each reflection element 76 in any spatial direction. For this purpose, two drives 108 and 110 forming the drive device 98 (see FIG. 4) are provided. These drives 108 and 110 are, for example, small electric motors, piezo elements or the like. With the aid of the drive 108 , the reflection element 76 can be pivoted with respect to a frame element 112 about the spatial axis 104 . The frame element 112 can be pivoted about the spatial axis 106 by means of the drive 110 with respect to a base 114 , which is indicated by any two surface sections. When the two drives 108 and 110 are activated simultaneously, it is therefore possible to set the reflection element 76 in any desired solid angle. This is done by means of the electronic control device indicated in FIG. 4 with the reference number 116 .
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 4, nämlich das Sammellinsenarray 80 mit den Sammellinsen 82, die Detektoreinrichtung 14, und eine zwischen dem Sammellinsenarray 80 und der Detektoreinrichtung 14 angeordnete Optikeinrichtung 118, die zur Maßstabtransformation dient. Mit der Bezugsziffer 120 ist die Fokusebene angedeutet, in der die Brennpunkte 122 der Laserteilstrahlen 78 äquidistant vorgesehen sind. Mit Hilfe der eine Maßstabtransformation durchführenden Optikeinrichtung 118 ist es möglich, die voneinander relativ weit beabstandeten Brennpunkte 122 der Laserteilstrahlen 78 auf eine Detektoreinrichtung 14 abzubilden, die ein Detektorarray kleiner Abmessungen von z.B. 6,4 mm×6,4 mm aufweist. Auf einem solchen handelsüblichen Detektorarray können 8×8 bis 32×32 Einzeldetektoren vorhanden sein, so daß sich 64 bzw. 1024 Pixel ergeben. Mit der Bezugsziffer 84 sind auch in Fig. 6 die Ausgänge der Detektoreinrichtung 14 bezeichnet, die entsprechend Fig. 4 geschaltet sind. FIG. 6 shows a detail from FIG. 4, namely the converging lens array 80 with the converging lenses 82 , the detector device 14 , and an optical device 118 arranged between the converging lens array 80 and the detector device 14 , which serves for scale transformation. The reference number 120 indicates the focal plane in which the focal points 122 of the partial laser beams 78 are provided equidistantly. With the aid of the optical device 118 performing a scale transformation, it is possible to image the focal points 122 of the partial laser beams 78 , which are spaced relatively far apart, on a detector device 14 which has a detector array of small dimensions, for example 6.4 mm × 6.4 mm. Such a commercially available detector array can have 8 × 8 to 32 × 32 individual detectors, so that there are 64 or 1024 pixels. Are by the reference numeral 84, the outputs of the detector means 14 are also shown in FIG. 6 indicates that according to FIG. 4 connected.
Claims (11)
daß die Detektoreinrichtung (14) als Detektorarray ausgebildet ist,
daß in Strahlungsrichtung des Laserstrahles (12) vor dem Detektorarray eine Intensitätsabschwächungseinrichtung angeordnet ist, die ein Infrarotstrahlen-durchlässiges Substrat (20) und auf dem Substrat (20) auf der vom Detektorarray abgewandten Vorderseite voneinander verschiedene, aneinander angrenzende Beschichtungen (22, 24) geringer Durchlässigkeit aufweist,
daß das Detektorarray flächig zusammenhängend eine die Pixelzahl festlegende Vielzahl eng nebeneinander angeordnete Infrarotstrahlen-empfindliche Detektorelemente (26) aufweist, und daß das Detektorarray (14) mit der Intensitätsabschwächungseinrichtung zusammenschaltbar ist.1. Device for measuring the intensity profile of a laser beam ( 12 ) with a detector device ( 14 ), characterized by the totality of the features,
that the detector device ( 14 ) is designed as a detector array,
that in the radiation direction of the laser beam ( 12 ) an intensity attenuation device is arranged in front of the detector array, which has an infrared radiation-permeable substrate ( 20 ) and on the substrate ( 20 ) on the front side facing away from the detector array, mutually adjacent coatings ( 22 , 24 ) less Has permeability,
that the detector array has a large number of closely spaced infrared radiation-sensitive detector elements ( 26 ) which determine the number of pixels, and that the detector array ( 14 ) can be interconnected with the intensity attenuation device.
daß ein Sammellinsenarray (80) ein in der Laufrichtung des Laserstrahls (12) nach dem Sammellinsenarray (80) angeordnetes, die Detektoreinrichtung (14) bildendes Detektorarray, wobei jeder Sammellinse (82) im Detektorarray ein Vierquadranten-Detektor zugeordnet ist und eine mit dem Detektorarray verbundene elektronische Regeleinrichtung (116) zur Fehlerkompensation vorgesehen sind,
daß in Laufrichtung des Laserstrahles (12) vor dem Sammellinsenarray (80) ein Array optischer Reflexionselemente (76) angeordnet ist, wobei die einzelnen optischen Reflexionselemente (76) jeweils einer bestimmten Sammellinse (82) zugeordnet sind,
daß jedes Reflexionselement (76) mittels einer Antriebseinrichtung (88) um zwei gegeneinander geneigte Raumachsen (104, 106) verschwenkbar ist und
daß die einzelnen Antriebseinrichtungen (98) mit der elektronischen Regeleinrichtung (116) zur Einstellung der Brennpunkte der zu den einzelnen Sammellinsen (82) zugehörigen Teilstrahlen (78) auf das Zentrum des jeweiligen Vierquadranten-Detektors verbunden sind.7. Device according to the preamble of claim 1, characterized by the entirety of the features,
that a converging lens array (80) a valve disposed in the running direction of the laser beam (12) of the collecting lens array (80), the detector means (14) forming detector array, wherein each convex lens (82) is associated in the detector array is a four-quadrant detector and to the detector array connected electronic control device ( 116 ) are provided for error compensation,
that an array of optical reflection elements ( 76 ) is arranged in the direction of travel of the laser beam ( 12 ) in front of the converging lens array ( 80 ), the individual optical reflection elements ( 76 ) each being assigned to a specific converging lens ( 82 ),
that each reflection element ( 76 ) can be pivoted about two mutually inclined spatial axes ( 104 , 106 ) by means of a drive device ( 88 ) and
that the individual drive devices ( 98 ) are connected to the electronic control device ( 116 ) for adjusting the focal points of the partial beams ( 78 ) associated with the individual converging lenses ( 82 ) to the center of the respective four-quadrant detector.
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| DE19893943518 DE3943518A1 (en) | 1989-06-15 | 1989-06-15 | Wavefront detector for laser beam - contains collimating lens array and array of reflecting elements with pivot drive controlled for error compensation |
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