DE102011015478B4

DE102011015478B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102011015478B4
Application number: DE201110015478
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rehm; Andreas Prücklmeier; Dr. Schertler Klaus
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: WO2012130209A3; DE102011015478A1; WO2012130209A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung. Gemäß einer ersten Alternative umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung, ein Beugungsgitter, zumindest eine abbildende Optik, und zumindest einen Detektor, der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, wobei die auftreffende Laserstrahlung durch das Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik auf den Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Die Vorrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine Ausleseeinheit vorhanden ist, die zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–107 Hz mehrfach pro Sekunde wechselt, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung. Die Vorrichtung ermöglicht mithin die zeitlich parallele Erfassung, Unterscheidung und Analyse von gepulster und Dauerstrich-Laserstrahlung auch mehrerer Laserquellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind insbesondere in der optischen Messtechnik und Analytik mit Laser im Freistrahl von Bedeutung. Gattungsgemäße Vorrichtungen ermöglichen es beispielsweise einen freistrahlenden, nicht-fasergekoppelten Laser zu erkennen und zudem die Richtung des einfallenden Laserstrahls zu ermitteln. Die Verwendungsmöglichkeiten derartiger Vorrichtungen liegen sowohl auf zivilem als auch auf sicherheitstechnischem/militärischem Gebiet, bspw. im Bereich der Informationsübertragung oder der Messtechnik. Im militärischen Bereich können sie auch dazu dienen, Bedrohungssituationen zu erkennen und ggf. zu bewerten.
So beschreibt die Druckschrift US 6,118,119 A eine gattungsgemäße Vorrichtung, mit der die Wellenlänge und die Einfallsrichtung eines auftreffenden monochromatischen Laserstrahls eines Dauerstrichlasers ermittelt werden kann. Die beschriebene Vorrichtung umfasst ein Beugungsgitter, das den einfallenden Laserstrahl in eine Vielzahl von Beugungsstrahlen aufteilt, ein dem Beugungsgitter nachgeschaltetes flächiges Detektorarray, das entsprechend der dort auftreffenden Beugungsstrahlen lokal aufgelöste Detektorsignale liefert, und eine Prozessoreinheit, welche die erfassten Detektorsignale auswertet und daraus den Einfallswinkel des einfallenden Laserstrahls sowie seine Lichtwellenlänge ermittelt. Die ermittelte Einfallsrichtung gibt Aufschluss über den Ort der Laserquelle. Die ermittelte Wellenlänge des Laserlichts ermöglicht eine Einordnung der Laserquelle in die verwendete Technologie (Diodenlaser, Festkörper- und Faserlaser, Gaslaser, Raman, OPO), da die für gewisse Anwendungen verwendeten Laserwellenlängen im zivilen und militärischen Bereich weitestgehend bekannt sind.
Aus dem Dokument US 7.456.940 B2 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlungserkennung und Strahlenklassifizierung bekannt. Die darin beschriebene Vorrichtung umfasst mindestens zwei Beugungsgitter, jeweils eine jedem Beugungsgitter zugeordnete abbildende Optik, und zumindest zwei Detektoren die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen. Eine auf die Vorrichtung auftreffende Laserstrahlung wird durch die Beugungsgitter geleitet und dadurch in Beugungsstrahlung überführt, die anschließend mittels der jeweiligen abbildenden Optik auf den der Optik zugeordneten Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Weiterhin ist ein Auswerteeinheit vorhanden, die auf Basis der Detektorsignale folgende Größen ermittelt: eine Wellenlänge, einen zweidimensionalen Einfallswinkel und/oder eine Amplitude der auftreffenden Laserstrahlung, eine Temperatur, einen Ort und eine Klassifikation einer Quelle der Laserstrahlung
Bisher sind jedoch nur gattungsgemäße Einrichtungen und Verfahren bekannt, die entweder für die Erfassung und Analyse von Laserstrahlung aus Dauerstrichlasern oder aus Pulslasern nutzbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dem Laserstrahlung sowohl von Dauerstrichlasern als auch von Pulslasern erkannt und analysiert werden kann.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Alternative durch eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung, mit zumindest einem Beugungsgitter, zumindest einer abbildenden Optik, und zumindest einem Detektor, der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, gelöst, bei der die auftreffende Laserstrahlung durch das Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt, und anschließend mittels der abbildenden Optik auf den Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei eine Ausleseeinheit vorhanden ist, die zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz mehrfach pro Sekunde wechselt, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung.
Die Aufgabe wird gemäß einer zweiten Alternative durch eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung, mit zumindest einem Beugungsgitter, zumindest einer abbildenden Optik, und zwei oder mehr Detektoren, die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, gelöst, bei der die auftreffende Laserstrahlung durch das zumindest eine Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik auf die Detektoren gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei eine Ausleseeinheit vorhanden ist, die die Detektorsignale zumindest eines der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz, und die Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz ausliest, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzband breite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung.
Die Erfindung basiert mithin auf der Idee, die Detektorsignale eines Detektors zwischen einer niedrigen und einer hohen Auslesefrequenz wechselnd auszulesen, oder einen ersten Detektor fortlaufend mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz und einen zweiten Detektor fortlaufend mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz auszulesen. Natürlich sind bei drei oder mehr Detektoren auch entsprechende Mischformen möglich.
Durch die mit unterschiedlichen Auslesefrequenzen ausgelesenen Detektorsignale werden in beiden angegebenen Alternativen durch entsprechende Bearbeitung Bilddaten erzeugt, die unterschiedliche Belichtungszeiten und Bildfolgefrequenzen aufweisen, wobei unter einem Bild vorliegend die Gesamtheit der zu einer Zeit von einem Detektor ausgelesenen Detektorsignale bzw. die daraus erzeugten Bilddaten verstanden wird. Die derart gewonnen Bilddaten ermöglichen eine zuverlässige Unterscheidung dahingehend, ob die auftreffende Laserstrahlung von einem Dauerstrichlaser oder einem gepulsten Laser stammt, wobei die Pulsdauer vorwiegend typischerweise im Bereich von 1–200 ns, 1–100 ns, 1–75 ns, 1–25 ns, insbesondere 5–50 Nanosekunden (ns) liegt. Auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale ist weiterhin eine Bestimmung der Einfallsrichtung der Laserstrahlung, der Lichtwellenlänge der Laserstrahlung, der Laserbandbreite aller Laserarten, sowie der Pulswiederholrate und der Pulsdauer im Fall von gepulster Laserstrahlung auch bei sehr geringer Pulsspitzenleistung möglich.
Es lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in kompakter Bauweise und geringem Gewicht realisieren, so dass deren Verwendung in einem breiten Einsatzspektrum möglich ist. Somit ist denkbar, ein Analysesystem zu schaffen, dass sowohl in Laboren als auch mobil im Außenbereich ziviler und sicherheitstechnischer Art Verwendung findet. Auch eine Integration in fliegende bemannte und unbemannte Plattformen, sowie Weltraumanwendungen auf Satelliten kann durch die kompakte Bauform realisiert werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Alternative zeichnet sich dadurch aus dass die Ausleseeinheit derart ausgelegt und eingerichtet ist, dass der Wechsel zwischen der niedrigen Auslesefrequenz f_n und der hohen Auslesefrequenz f_h nicht in der Form einer Umschaltung zwischen den Auslesefrequenzen, d. h. der Abfolge: f_n, f_h, f_n, f_h, f_n ... erfolgt, sondern, dass zwischengeschaltete vorgegebene Auslesefrequenzen eingefügt sind, d. h. gemäß der Abfolge: f_n, f₁, f₂... f_i, f_h, f_i, ..., f₂, f₁, f_n, f₁, f₂, ... erfolgt, wobei f₁ < f₂ < ... < f_i ist. Dies ermöglicht eine noch genauere Bestimmung der Pulswiederholrate bzw. der Pulsdauer bei auftreffender gepulster Laserstrahlung.
Die Ausleseeinheit ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Alternative bevorzugt derart ausgelegt und eingerichtet, dass der Wechsel zwischen der niedrigen und der hohen Auslesefrequenz innerhalb einer Sekunde zwischen 2–100 mal, 2–50 mal, 2–25 mal, insbesondere 10 mal erfolgt.
Sind mehrere Detektoren bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhanden, so umfasst die Vorrichtung bevorzugt zumindest einen Strahlteiler im Strahlengang zwischen auftreffender Laserstrahlung und den/dem Detektor/en. Dieser Strahlteiler kann je nach Aufbau der Vorrichtung im Strahlengang vor zwei oder mehr Beugungsgittern angeordnet sein, um die auftreffende Laserstrahlung auf die Beugungsgitter zu lenken bzw. zu verteilen. Der Strahlteiler kann einem Beugungsgitter direkt nachgeschaltet sein, um die durch das Beugungsgitter entstehende Beugungsstrahlung auf mehrere, dem Strahlteiler nachgeschaltete abbildende Optiken zu lenken bzw. zu verteilen. Der Strahlteiler kann schließlich einer abbildenden Optik direkt nachgeschaltet sein, um die Beugungsstrahlung auf mehrere Detektoren zu lenken bzw. zu verteilen.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind bevorzugt zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1.600 nm ausgelegt und eingerichtet, da in dem vorstehend angegebenen Wellenlängenbereich die meisten der heute bekannten Laserquellen arbeiten. Diese Auslegung betrifft sowohl die Auswahl der entsprechenden Beugungsgitter, der abbildenden Optiken, der Detektoren und ggf. des/der Strahlteiler/s, wie auch die entsprechende Anpassung der Auswertealgorithmen in der Auswerteeinheit. Dem Fachmann sind diese Zusammenhänge bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine tiefergehende Erläuterung verzichtet wird. Natürlich kann die Vorrichtung für spezielle Aufgabenstellungen auch auf einen größeren, einen kleineren und/oder einen entsprechend verschobenen Wellenlängenbereich abgestimmt werden. Auch dies sind fachbekannte Maßnahmen, die hier keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
Bevorzugt werden für eine erfindungsgemäße Vorrichtung CMOS- oder CCD-Detektoren verwendet. Die Detektorelemente können dabei flächig oder linear angeordnet sein, d. h. beispielsweise als Detektorelement-Array oder als in einer Reihe angeordnete Detektorelemente. Weiterhin können zwei oder mehr Detektoren unterschiedlicher Bauart oder aus unterschiedlichem Material bestehen, und daher unterschiedliche Eigenschaften wie bspw. Empfindlichkeiten, Ansprechzeiten, Totzeiten etc. aufweisen. Besonders bevorzugt weisen zumindest zwei der Detektoren unterschiedliche Ortsauflösungen (d. h. eine unterschiedliche Detektorelementdichte) auf, wobei aus Gründen einer ggf. erforderlichen Datenreduktion der Detektor, dessen Detektorsignale mit einer hohen Auslesefrequenz ausgelesen werden, bevorzugt die geringere Ortsauflösung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet sein, dass bei den mit der hohen Auslesefrequenz ausgelesenen Detektorsignalen vor deren Analyse eine Datenreduktion erfolgt. Diese Datenreduktion kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Detektorsignale einer vorgegebenen Anzahl benachbarter Detektorelemente summiert oder gemittelt oder allgemein miteinander verrechnet werden. Dabei werden also mehrere Detektorsignale zu einem Signal zusammengefasst. Natürlich sind alle dem Fachmann bekannten Verfahren zur Datenreduktion je nach vorliegender konkreter Aufgabenstellung zusätzlich oder alternativ anwendbar.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gemäß einer ersten Alternative von einem Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung mit einer Vorrichtung gelöst, die zumindest ein Beugungsgitter, zumindest eine abbildende Optik, und zumindest einen Detektor, der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung durch das Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik auf den Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte: Auslesen der vom Detektor erfassten Detektorsignale, wobei die Auslesefrequenz mehrfach pro Sekunde zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz wechselt, und auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gemäß einer zweiten Alternative von einem Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung mit einer Vorrichtung gelöst, die zumindest ein Beugungsgitter, zumindest eine abbildende Optik, und zwei oder mehr Detektoren, die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung durch das zumindest eine Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik auf die Detektoren gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte: Auslesen der von einem der Detektoren erfassten Detektorsignale mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz, und der Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz, und auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung.
Zur Erläuterung der vorstehend beschrieben Verfahrens wird auf die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorstehend gemachten Ausführungen verwiesen. Insbesondere ergeben sich durch analoge Übertragung der vorrichtungsgemäßen Merkmale auf die erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafte verfahrensgemäße Weiterbildungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Figuren mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Auslesefrequenzen und der dabei entstehenden Bilddaten bzw. Bilder,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform,
6 ein schematisiertes Beugungsmuster auf dem Detektor D, und
7 die Intensitätsverteilung des Beugungsmusters von 6 auf dem Detektor entlang der Schnittlinie S-S'.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung besteht aus einem diffraktiven Gitter G, einer abbildenden Optik O, einem zweidimensionalen bildgebenden Flächensensor/Detektor D, einer Ausleseeinheit A, einer Auswerteeinheit B sowie einer optischen Anzeigeeinheit C, welche die Auswerteergebnisse der Auswerteeinheit B und/oder sich daraus ergebende Vorschläge über Handlungsalternativen einem Nutzer anzeigt.
Die auftreffende Laserstrahlung 101 (natürlich neben anderer Hintergrundstrahlung) wird nach Durchgang durch das Beugungsgitter G in Beugungsstrahlung 102 überführt. Dabei teilt das Beugungsgitter G die auftreffende Laserstrahlung 101 in mehrere Ordnungen auf, wobei das Beugungsgitter G eindimensional oder mehrdimensional ausgelegt sein kann. Im eindimensionalen Fall wird die Laserstrahlung 101 in mehrere Beugungsstrahlen in einer Ebene aufgeteilt. Bei einem mehrdimensionalen Beugungsgitter G sind mehrere Gitter hintereinander und zueinander verdreht angeordnet. Vorzugsweise verwendet man bei einem mehrdimensionalen Beugungsgitter G ein Kreuzgitter, bei dem ein Gitter zum zweiten um 90 Grad gedreht angeordnet ist. Die Optik O hat die Aufgabe, die Beugungsstrahlen (Beugungsstrahlung) 102 durch eine Objektivblende auf einen bestimmten Durchmesser zu begrenzen und durch ein entsprechend angepasstes Linsensystem hochauflösend und effizient auf den Detektor D zu fokussieren, beziehungsweise abzubilden.
Die Ausleseeinheit A ist derart ausgeführt und eingerichtet, dass zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors D zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz mehrfach pro Sekunde in vorgegebener bzw. bekannter Weise wechselt wird. Damit können sowohl schwache Dauerstrichlaser als auch schwache gepulste Impulslaser sicher gegenüber einem Signalhintergrund einer durch Sonnenlicht und/oder Kunstlicht beleuchteten Szene erfasst und analysiert werden. Weiterhin wird neben der Einfallsrichtung und der Wellenlänge der auftreffenden Laserstrahlung, die Laseremissionsbandbreite sowie zeitlich veränderliche Eigenschaften der Laserstrahlung, wie die Pulswiederholrate und/oder die Pulsdauer ermittelt. Wie dies im Einzelnen erfolgt ist den nachfolgenden Erläuterungen zu entnehmen.
Anmerkung: In den 1 und 3–5 sind die auftreffende Laserstrahlung 101, die durch ein Beugungsgitter G entstehende Beugungsstrahlung 102, sowie die durch die abbildende Optik O auf einen Detektor D fokussierte Strahlung 103 als Pfeile mit durchgezogene Linien dargestellt, während der Signal- bzw. Datenfluss vom Detektor D zur Ausleseeinheit A, von dort zur Auswerteeinheit B und von dort weiter zur Anzeigeeinheit C als Pfeile mit gestrichelten Linien dargestellt ist.
Zur Erfassung von Dauerstrichlasern bei Tageslicht mit CMOS-Detektoren sind Aufnahme-/Belichtungszeiten von etwa einigen Millisekunden erforderlich. Bei Verwendung von CCD-Detektoren sind die Aufnahme-/Belichtungszeiten aufgrund deren höherer Empfindlichkeit etwa um den Faktor 100 geringer. Zur Detektion von Impulslasern, die im militärischen Bereich Verwendung finden, genügen Aufnahme/Belichtungszeiten von ca. 10 μs bei CMOS-Detektoren und bei CCD-Detektoren sogar 1 μs und weniger. Damit ein Großteil der Laserimpulse erfasst wird, muss die Auslesefrequenz eines Detektors D und damit die Bildwiederholrate entsprechend hoch sein. Bevorzugt liegt diese bei 1.000 bis über 10 Million Bildern pro Sekunde.
Um gleichzeitig Dauerstrichlaser und Impulslaser zu erfassen, werden erfindungsgemäß zwei Detektoren mit stark unterschiedlicher Auslesefrequenz betrieben. Um Dauerstrichlaser und Impulslaser zumindest nahezu gleichzeitig zu erfassen, wird die Auslesefrequenz eines Detektors mehrmals pro Sekunde zwischen einer niedrigen und einer hohen Auslesefrequenz gewechselt. Durch die kürzere Belichtungsdauer bei der hohen Auslesefrequenz wird die Helligkeit des Bildhintergrundes reduziert, wobei das Bild sogar absolut dunkel werden kann. Dagegen wird die Helligkeit auftreffender Impulslaserstrahlung nicht reduziert, da die Pulsdauer der Laserstrahlung meist noch wesentlich kürzer ist, als die Belichtungsdauer.
Durch das Wechseln der Auslesefrequenz im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Bilddaten bzw. Bilder mit unterschiedlicher Belichtungszeit und Bildwiederholrate erzeugt. Die 2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung zur weiteren Erläuterung. Dargestellt sind die über der Zeitachse t aufgetragenen Bildzeiten einzelner aufeinander folgender Bilder. Zu entnehmen ist der Darstellung, dass die Bilder 1, 2 und 12 mit einer geringeren Bildwiederholrate und daher mit einer geringen Auslesefrequenz als die Bilder 3–11 gewonnen wurden. Die aus 2 ablesbare Bilddauer ist der Kehrwert der Bildwiederholrate und ist die Summe aus der Belichtungsdauer und der Totzeit zum Auslesen der Bildinformation (zum Entladen des Detektors).
Durch das Wechseln auf die hohe Auslesefrequenz, kann die erzeugte bzw. ausgelesene Detektorsignalmenge bzw. die sich daraus ergebende Bilddatenmenge sehr groß werden. Um dennoch eine schnelle und effektive Auswertung und Analyse der erfassten Bilddaten zu ermöglichen, wird die bei der Auswertung berücksichtigte Bilddatenmenge bei der hohen Auslesefrequenz vor deren Analyse reduziert. Es sei hier erwähnt, dass sich die vorgenannten Bilddaten nach entsprechender A/D-Wandlung aus den ausgelesenen Detektorsignalen ergeben.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäß gewonnen Bilddaten durch ein sogenanntes „Binning” reduziert. Beim „Binning” wird die Auflösung des Detektors D bei hohen Auslesefrequenzen/Bildwiederholraten dadurch reduziert, dass Detektorsignale horizontal und vertikal benachbarter Detektorelemente (Bildpunkte, Pixel) hardware- oder softwaremäßig zusammengefasst werden. Typische Binning-Muster sind z. B. 2×2 oder 4×4, aber auch das Zusammenfassen ganzer Bildzeilen oder Bildspalten zu einem Bildpunkt ist möglich. Dies reduziert einerseits die bei der Analyse zu berücksichtigende Bilddatenmenge, dies geht aber andererseits natürlich zu Lasten der Ortsauflösung der dann entstehenden reduzierten Bilddaten. Es gilt hier für die vorliegende Aufgabenstellung den optimalen Kompromiss zu wählen.
Zur Verdeutlichung sei noch folgendes Beispiel aufgeführt. Da bei einem bevorzugten „Software-Binning” bspw. Bildpunkthelligkeiten addiert werden, geht keine Bildinformation verloren, wenn der Bildhintergrund ohnehin dunkel ist. Die Bildpunkthelligkeit der Laserstrahlung 101 bzw. der vom Detektor D letztlich erfassten Beugungsstrahlung 103 bleibt durch das Binning erhalten. Beispielsweise erfolgt die Addition der Bildhelligkeiten in Digits (0 bis 4096 bei 12 Bit) einzelner Anteile aus 4 benachbarten Bildpunkten (Pixel 1–4) ist wie folgt:
Pixel 1: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 1, Laserstrahlung: 0
Pixel 2: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 2, Laserstrahlung: 0
Pixel 3: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 2, Laserstrahlung: 25
Pixel 4: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 1, Laserstrahlung: 0
Das „Software-Binning” ergibt hierfür die Summe: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 6, Laserstrahlung: 25. Somit wird bei dunklen Bildern nur das Rauschen (Ausleserauschen) gegenüber dem erfassten Lasersignal etwas stärker. Da das Rauschen bei modernen Detektoren (Bildsensoren) aber sehr gering ist, liefert dies nur einen untergeordneten Beitrag. Bei einem „Hardware-Binning” wird das Ausleserauschen ohnehin nicht wesentlich vergrößert. Wie erwähnt wird beim „Binning” durch das Zusammenfassen benachbarter Bildpunkte die örtliche Auflösung des Bildes reduziert.
Wird eine auftreffende Laserstrahlung durch ihr schmalbandiges Spektrum erkannt und die Wellenlänge und Einfallsrichtung bestimmt, kann anschließend der relevante Detektorbereich (Bildbereich) lokal auf diese Strahlungsquelle eingeengt und verkleinert werden. Durch diese so genannte Region-of-Interest-Funktion (ROI) wird dieser Detektorbereich (Bildbereich) dann in bester Ortsauflösung und der hohen Bildwiederholrate (hohe Auslesefrequenz) betrachtet. Somit erhält man eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Einfallsrichtung und eine hohe zeitliche Auflösung. Durch das Auslesen ausschließlich dieses kleinen Bereichs (ROI) kann die Auslesefrequenz sehr hoch gesetzt werden (beispielsweise auf 10.000–10 Millionen Bilder/s), damit die zeitlichen Eigenschaften wie Pulsdauer und Pulswiederholrate ermittelt werden können.
Der Ermittlung der Einfallsrichtung der auftreffenden Laserstrahlung 101 liegt folgender Zusammenhang zugrunde. Die auftreffende Laserstrahlung 101 wird durch das Beugungsgitter G in mehrere Teilstrahlen (Beugungsstrahlung 102) aufgeteilt, deren Ablenkwinkel durch die Gitterkonstante des verwendeten Beugungsgitters G und die Beugungsordnung N vorgegeben ist. Da die Lage des Zentrums des entstehenden Beugungsmusters (im falle monochromatischer Strahlung ist das ein Punktmuster) auf dem Detektor D eine optische Abbildung des Beugungsgitters G ist, kann aus der Lage des Zentrums des Punktmusters auf dem zweidimensionalen Detektor D die Einfallsrichtung in zwei Dimensionen ermittelt werden. Der Ablenkwinkel α der Bildpunkte durch das Beugungsgitter verhält sich zu α = arcsin(Nλ/d) (1) wobei N die Beugungsordnung eines jeweiligen abgebildeten Punktes durch das Beugungsgitter G beschreibt und N = 0, 1, 2, ..., λ die Wellenlänge der einfallenden Laserstrahlung 101 und d die Gitterkonstante definiert. Da der Ablenkwinkel α sich proportional zur Wellenlänge λ der Laserstrahlung 101 verhält, kann durch die Punktabstände des auf dem Detektor D entstehenden Punktmusters zudem die Wellenlänge auf dem flächigen Detektor D gemäß: Δα = arcsin(NΔλ/d) (2) ermittelt werden. Wird die Gitterkonstante d derart gewählt, dass die Punkte des Punktmusters mehrere hundert Pixel weit auseinander liegen, kann zusätzlich die Bandbreite der Laserquelle (Laserbandbreite oder Laseremissionsbandbreite) gemessen werden, da auch die Abstände der Bildpunkte proportional zur Wellenlänge λ sind: (Δα = arcsin(Δλ/d)) (3)
Liegen beispielsweise die Punkte 532 Pixel auseinander, und die Wellenlänge λ der ankommenden Laserstrahlung liegt bei 1064 nm, so entspricht 1 Pixel des Detektors D zwei Nanometer, d. h. die Laseremissionsbandbreite kann auf zwei Nanometer genau gemessen werden. Wählt man ein Beugungsgitter G, das mehrere Beugungsstrahlen und damit mehrere Bildpunkte auf dem Detektor D erzeugt (z. B. neun bei einem 3×3 Beugungsgitter), so können die Punktabstände aller Bildpunkte gemessen und das Ergebnis gemittelt werden, so dass die Wellenlängenauflösung noch ein Vielfaches höher sein kann. Somit können auch breitbandige Lichtquellen erkannt und insbesondere von schmalbandigen Laserstrahlungsquellen unterschieden werden.
Ein grundsätzliches Problem bei der Verwendung von Detektoren D zur Erfassung von schwachen Laserquellen sind die Vielzahl von inkohärenten Punktquellen am Tage und in der Nacht (wie Straßenlampen, Sonnen- und Mondspiegelungen) im Freien, die nicht von einer möglichen der Bedrohung durch eine Laserzielerfassung ohne zusätzliche Maulnahmen unterscheidbar sind.
Eine Laserstrahlungsquelle (Laser) hat außer der hohen räumlichen Kohärenz eine hohe zeitliche Kohärenz, d. h. eine schmale Bandbreite. Bei Festkörper- und Gaslasern beträgt diese Bandbreite üblicherweise weit unter 1 nm, bei mehrmodigen Laserdioden dagegen etwa 3 nm. Alle natürlichen Strahlquellen sind breitbandig mit einer Bandbreite selten unter 100 nm. Schmalbandige technische Lichtquellen sind Spektrallampen, Hochdrucklampen, Leuchtstoffröhren und Leuchtdioden mit einer Bandbreite einzelner Farben von 20–40 nm. Die Bandbreite der Laser liegt damit um mindestens einen Faktor 10 unter der Bandbreite aller natürlicher und technischer Quellen.
Dieses Kohärenzmerkmal wird benutzt, um Laserstrahlung von inkohärenter Strahlung aus anderen technischen Lichtquellen zu unterscheiden. Hier kommen grundsätzlich Interferometer oder Beugungsgitter in Frage. Die Verwendung von Interferometern zur Kohärenzunterscheidung hat die Nachteile ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Temperatur, ihrer geringen Winkelakzeptanz und umständlicher Auswertung der Interferrogramme. Hochauflösende Beugungsgitter sind dagegen in Kombination mit modernen Detektoren sehr geeignet. Hier sind vor allem Kreuzgitter, die anstatt der bekannten Linienspektren zweidimensionale Punktgitterspektren aus dem Licht von schmalbandigen Punktquellen generieren, den Strichgittern vorzuziehen.
Die unterschiedlichen Ordnungen N der Gitterpunkte im Kreuzgitter gehorchen der Beziehung (hier nur in einer Raumrichtung aufgeführt): Nλ/d = sinα – sinα_o (4) wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlung, d die Gitterkonstante, α_o den Einfallswinkel und α den Beugungswinkel bezeichnet. Die Lage der Bildpunkte der Ordnungen N sind damit Schnittpunkte zweier Hyberbelscharen. Die 0-te Ordnung des Beugungsmusters liegt auf dem Hauptstrahl, dieser geht also ohne Beugung durch das Beugungsgitter. Die Hautstrahlachse ist auch die Symmetrieachse des Beugungsmusters höherer Ordnungen. Die Einfallsrichtung der auftreffenden Laserstrahlung kann, wie vorstehend erläutert, eindeutig aus dem Beugungsmuster ermittelt werden. Der Beugungswinkel verschiebt sich mit der Wellenlängenänderung von Δλ nach der Formel (2): Δα = arcsin (NΔλ/d), d. h. die Wellenlänge der einfallenden Strahlung kann aus der Winkellage des Beugungsmaximums bestimmt werden.
Flächenhafte breitbandige Quellen erzeugen ein verschmiertes Mosaik über die ganze Detektorfläche, und breitbandige punktförmige Quellen werden als länglicher Farbsaum abgebildet. Bei einer angenommenen Wellenlänge von λ₁ = 1,064 μm (Nd:YAG-Laser), λ₂ = 0,904 μm (Ga·As-Laserdiode), einem Einfallswinkel von α_o = 0°, und einer Gitterkonstante d = 10 μm, beträgt der Beugungswinkel im ersten Fall α₁ = 6,1° und im zweiten Fall α₂ = 5,4°.
Bei niedrigeren Ordnungen vergrößert sich die Wellenlängenauflösung. Mit etwa 600×600 Detektorelementen (Pixel) eines Detektorarrays und einem Öffnungswinkel der abbildenden Optik von 90° beträgt die Winkelauflösung eines Pixels 0,15°. Bei einer Gitterkonstante von 2 μm beträgt die spektrale Auflösung eines Pixels in der ersten Beugungsordnung etwa 5 nm. Zum Vergleich beträgt die spektrale Bandbreite einer Laserdiode etwa 3 nm, d. h. die Strahlung der Laserdiode würde innerhalb eines Pixels abgebildet werden. Eine Leuchtdiode würde über eine Zeile von 6 Pixel und eine 100 nm Quelle über 20 Pixel ausgedehnt sein. Wird das Gitter so ausgelegt, dass etwa 1 nm einem Pixel in der ersten Ordnung entspricht, wird eine inkohärente Lichtquelle, wie bspw. ein Sonnenreflex mit einer Bandbreite von 300 nm, nach dem Durchgang durch das Beugungsgitter G in seiner Intensität um einen Faktor 1/300 abgeschwächt werden.
6 zeigt ein Beispiel eines auf dem Detektor D entstehenden Beugungsmusters (Verteilung der Strahlungsintensität) 0-ter und 1-ster Ordnung bei Durchgang von Strahlung durch ein Kreuz-Beugungsgitter G, dessen Winkelabstand durch die Gitterkonstante eingestellt wird. Das dargestellte Beugungsmuster entsteht vorliegend durch auftreffende inkohärente und kohärente Strahlung unterschiedlicher Strahlungsquellen, die jeweils mit gleicher Einfallsrichtung auftreffen. Anmerkung: Es wird vorliegend davon ausgegangen, dass neben auftreffender Laserstrahlung natürlich auch jeweils vorhandene Hintergrundstrahlung auftrifft und entsprechend in die Vorrichtung gelangt und auf den/die Detektoren abgebildet wird.
Das Bezugszeichen 606 bezeichnet den Abbildungsbereich der abbildenden Optik O auf der Detektorfläche. Der Schnittpunkt der Mittenachsen 602 und 603 der abbildenden Optik O gibt den Schnittpunkt der Hauptstrahlachse mit der Detektorfläche an. Die Hauptstrahlachse ist durch den Beugungsstrahl 0-ter Ordnung für einen senkrecht auf das Beugungsgitter einfallende Strahlung definiert, die vorliegend auf den Schnittpunkt der Mittenachsen 602 und 603 abgebildet würde, da der Hauptstrahl keine Ablenkung durch das Beugungsgitter erfährt. Trifft die einfallende Strahlung nicht senkrecht auf das Beugungsgitter G, so wird das Zentrum des Beugungsmusters verschoben. Vorliegend wird die 0-te Ordnung der einfallenden kohärenten Strahlung auf den Punkt 601, und die 0-te Ordnung der einfallenden inkohärenten Strahlung auf die Kreisfläche 607 abgebildet. Die 1-ste Ordnung der einfallenden kohärenten Strahlung wird auf die vier Punkte 604 abgebildet. Die 1-ste Ordnung der einfallenden inkohärenten Strahlung wird auf die grau schattierten Bereiche 605 abgebildet. Die Ablage des Zentrums des Beugungsmusters (entspricht vorliegend dem Punkt 601) vom Schnittpunkt der Mittenachsen 602 und 603 ermöglicht die Ermittlung des Azimuts und der Elevation und damit der Einfallsrichtung der auftreffenden Strahlung. Weiterhin lässt sich der 6 eine Schnittlinie S-S' durch den Detektor entnehmen.
Die 7 zeigt die Intensitätsverteilung des Beugungsmusters von 6 auf dem Detektor D entlang der Schnittlinie S-S'. Dabei entspricht die x-Achse 701 der Schnittachse S-S'. Darüber ist entlang der y-Achse 702 die Intensität der Beugungsstrahlung 103 aufgetragen. Deutlich zu unterscheiden ist die Beugungsstrahlung kohärenter Strahlung, welche sich in Form von Intensitätspeaks 704, 705a und 705b darstellt, von der inkohärenten Strahlung, welche eine über die Schnittlinie S-S' verschmierte Intensitätskurve 703 darstellt. Dabei entsprechen die Punkte 601 und 604 auf der Schnittachse den Intensitätspeaks 704 und 705a bzw. 705b in 7. Durch Vorgabe eines entsprechenden Schwellwertes 706 kann der Einfluss der inkohärenten Strahlung bei der Auswertung unterdrückt werden. Wird unterstellt, dass die auftreffende Laserstrahlung, welche das vorliegende Beugungsmuster der 7 erzeugt von einem Dauerstrichlaser stammt, so werden die als Beugungsmuster auf dem Detektor D entstehenden Bildpunkte 601, 604, bei gleich bleibender Einfallsrichtung in jedem nachfolgend aufgenommenen Bild an gleicher Stelle zu sehen sein.
Geht die auftreffende Laserstrahlung jedoch von einem gepulsten Laser aus, dann wird die Pulsdauer und Pulsfrequenz wie folgt ermittelt. Ist die Pulsdauer der Laserstrahlung länger als die Belichtungszeit für ein einzelnes Bild, kann die Pulsdauer durch ein Zählen der Anzahl der belichteten Bilder multipliziert mit der Bilddauer grob ermittelt werden, wobei die Genauigkeit der Messung gleich der Bilddauer ist.
Zur Messung der Pulswiederholrate (Pulsfrequenz) wird ein Bildpunkt (bspw. 601 oder 604) betrachtet, bei welchem der Laser aufgeleuchtet hat und anschließend wird ausgemessen, in welchem Zeitraster der Bildpunkt in einem nachfolgenden Bild wieder erscheint. Dieses regelmäßige Aufleuchten verrät die für jeden Pulslaser charakteristische Pulsfrequenz. Die Länge des Aufleuchtens verrät die Pulsdauer des Lasers, falls diese nicht kürzer als die Bildaufnahmedauer ist. Mithin muss zur Bestimmung der Pulsdauer lediglich die Anzahl aufeinander folgenden Bilder ermittelt werden, in denen der Bildpunkt der Laserstrahlung vorhanden ist. Diese Anzahl muss dann mit der für diese Bilder konstanten Belichtungszeit multipliziert werden.
Alternativ zum Wechseln der Auslesefrequenz von einer niedrigen Auslesefrequenz zu einer hohen Auslesefrequenz, können auch zwei oder mehr Detektoren mit unterschiedlichen Auslesefrequenzen betrieben werden. Damit geht keine Bildinformation verloren, wenn ein schwacher kurzer Laserstrahlungspuls auf einen Detektor mit langer Belichtungszeit trifft und daher durch die lange Integrationszeit verschwindend klein werden würde. Da in der Praxis meist Laser mit der Emission mehrerer Pulszüge verwendet werden, ist bevorzugt eine Vorrichtung mit nur einem Detektor (Bildsensor) und umschaltbarer Auslesefrequenz für die Messung ausreichend. Dadurch wird der Herstellungs-, Betriebs- und Wartungsaufwand wesentlich reduziert.
Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die auftreffende Laserstrahlung 101 wird mittels eines Strahlteilers S zwei Beugungsgittern G1 und G2 zugeführt. Die Beugungsgitter G1 und G2 überführen die Laserstrahlung 101 jeweils in Beugungsstrahlung 102, die mittels der abbildenden Optiken O1 und O2 als fokussierte Beugungsstrahlung 103 auf die Detektoren D1 und D2 abgebildet wird. Die Beugungsgitter G1 und G2 können unterschiedlich gestaltet sein, so dass die durch die Beugungsgitter G1 und G2 entstehende Beugungsstrahlung 102 unterschiedlich ist. Bevorzugt sind die flächigen Detektoren D1 und D2 derart ausgeführt, dass sie eine unterschiedliche Detektorelementdichte und damit eine unterschiedliche Ortsauflösung aufweisen. Die Detektoren D1 und D2 übermitteln die von einer Ausleseeinheit A ausgelesenen Detektorsignale an die Ausleseeinheit A. Dabei wird einer der Detektoren D1, D2, bevorzugt derjenige mit der geringeren Detektorelementdichte, kontinuierlich mit einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz ausgelesen. Der andere der Detektoren wird hingegen kontinuierlich mit einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz ausgelesen. Die analogen Detektorsignale werden zudem in der Ausleseeinheit mittels eines oder mehrerer A/D-Wandler digitalisiert und damit in digitale Bilddaten umgewandelt.
Die Bilddaten werden der Auswerteeinheit B übermittelt, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der, wie vorstehend beschrieben, gewonnenen Bilddaten eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, und Pulslänge der Laserstrahlung. Die Ergebnisse der Auswertung bzw. die ermittelten Größen sowie sich ggf. daraus ergebende Handlungsvorschläge und/oder Handlungsalternativen werden auf einer Anzeigeeinheit C, bspw. einem Monitor, dargestellt.
Natürlich kann die Vorrichtung weitere in dieser Art hintereinander geschaltete Beugungsgitter G, Optiken O und Detektoren D umfassen. Dies ist durch die entsprechenden vertikalen Strichlierungen verdeutlicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 dargestellten Ausführungsform durch die Verwendung nur eines Beugungsgitters G und der Anordnung des Strahlteilers S im Strahlengang. Die auftreffende Laserstrahlung 101 wird in dieser Ausführungsform zunächst auf das Beugungsgitter G gelenkt und von diesem in Beugungsstrahlung 102 überführt. Die Beugungsstrahlung 102 wird anschließend mittels eines Strahlteilers S auf die abbildenden Optiken O1 und O2 verteilt. Alle weiteren Elemente sind identisch mit 3, auf deren Beschreibung hierzu verwiesen wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform wird die auftreffende Laserstrahlung 101 von einem Beugungsgitter G in Beugungsstrahlung 102, und mittels einer abbildenden Optik O in fokussierte Beugungsstrahlung 103 überführt. Die fokussierte Beugungsstrahlung 103 wird nun mittels eines Strahlteilers S vorliegend auf drei oder mehr (angedeutet durch die vertikale Strichlierung) Detektoren D1, D2, D3 aufgeteilt. Die Detektoren D2 und D3 entsprechen vorliegend denen der 3. Der Detektor D1 wird von der Ausleseeinheit A mit abwechselnd zwischen einer niedrigen und einer hohen Auslesefrequenz ausgelesen. Er entspricht somit dem Detektor aus 1. Auf die jeweiligen Beschreibungsstellen wird hierzu verwiesen.
Die Vorrichtung ermöglicht mithin die zeitlich parallele Erfassung, Unterscheidung und Analyse von gepulster und Dauerstrich-Laserstrahlung auch mehrerer Laserquellen.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101), mit zumindest einem Beugungsgitter (G, G1, G2), zumindest einer abbildenden Optik (O, O1, O2), und zumindest einem Detektor (D, D1, D2, D3), der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, bei der die auftreffende Laserstrahlung (101) durch das Beugungsgitter (G, G1, G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik (O, O1, O2) auf den Detektor (D, D1, D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei – eine Ausleseeinheit (A) vorhanden ist, die zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors (D, D1, D2, D3) zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz mehrfach pro Sekunde wechselt, und – eine Auswerteeinheit (B) vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: – Einfallsrichtung der Laserstrahlung, – Wellenlänge der Laserstrahlung, – Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, – Pulswiederholrate der Laserstrahlung, – Pulslänge der Laserstrahlung.
Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101), mit zumindest einem Beugungsgitter (G, G1, G2), zumindest einer abbildenden Optik (O, O1, O2), und zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3), die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, bei der die auftreffende Laserstrahlung (101) durch das zumindest eine Beugungsgitter (G, G1, G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik (O, O1, O2) auf die Detektoren (D, D1, D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei – eine Ausleseeinheit (A) vorhanden ist, die die Detektorsignale zumindest eines der zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3) mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz, und die Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3) mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz ausliest, und – eine Auswerteeinheit (B) vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: – Einfallsrichtung der Laserstrahlung, – Wellenlänge der Laserstrahlung, – Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, – Pulswiederholrate der Laserstrahlung, – Pulslänge der Laserstrahlung.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinheit (A) derart ausgelegt und eingerichtet ist, dass der Wechsel zwischen der niedrigen und der hohen Auslesefrequenz in mehreren Schritten erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinheit (A) derart ausgelegt und eingerichtet ist, dass der Wechsel zwischen der niedrigen und der hohen Auslesefrequenz innerhalb einer Sekunde zwischen 2–100 mal, 2–50 mal, 2–25 mal, insbesondere 10 mal erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strahlteiler (S) im Strahlengang zwischen auftreffender Laserstrahlung (101) und den Detektoren (D, D1, D2, D3) vorhanden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1.600 nm ausgelegt und eingerichtet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Detektoren (D, D1, D2, D3) CMOS- oder CCD-Detektoren sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente des/der Detektor/s/en (D, D1, D2, D3) flächig oder linear angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Detektoren (D, D1, D2, D3) eine unterschiedliche Ortsauflösung aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (A) derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass bei den mit der hohen Auslesefrequenz ausgelesenen Detektorsignalen vor deren Analyse eine Datenreduktion erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Datenreduktion die Detektorsignale einer vorgegebenen Anzahl benachbarter Detektorelement summiert oder gemittelt werden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Detektoren (D, D1, D2, D3) aus jeweils unterschiedlichen Detektormaterialien bestehen.
Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101) mit einer Vorrichtung, die zumindest ein Beugungsgitter (G, G1, G2), zumindest eine abbildende Optik (O, O1, O2), und zumindest einen Detektor (D, D1, D2, D3), der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung (101) durch das Beugungsgitter (G. G1. G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik (O, O1, O2) auf den Detektor (D, D1, D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, mit folgenden Schritten: – Auslesen der vom Detektor (D, D1, D2, D3) erfassten Detektorsignale, wobei die Auslesefrequenz mehrfach pro Sekunde zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz wechselt, und – auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen: – Einfallsrichtung der Laserstrahlung, – Wellenlänge der Laserstrahlung, – Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, – Pulswiederholrate der Laserstrahlung, – Pulslänge der Laserstrahlung.
Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101) mit einer Vorrichtung, die zumindest ein Beugungsgitter (G, G1, G2), zumindest eine abbildende Optik (O, O1, O2), und zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3) die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung (101) durch das zumindest eine Beugungsgitter (G, G1, G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik (O, O1, O2) auf die Detektoren (D, D1, D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, mit folgenden Schritten: – Auslesen der von einem der Detektoren (D, D1, D2, D3) erfassten Detektorsignale mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz–100 Hz, und der Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz–10⁷ Hz, und – auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen: – Einfallsrichtung der Laserstrahlung, – Wellenlänge der Laserstrahlung, – Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, – Pulswiederholrate der Laserstrahlung, – Pulslänge der Laserstrahlung.