DE102019119659B4

DE102019119659B4 - System und Verfahren zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem

Info

Publication number: DE102019119659B4
Application number: DE102019119659.0A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Scaggs
Original assignee: Haas Laser Technologies Inc
Current assignee: Haas Laser Technologies Inc
Priority date: 2018-07-28
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2039-07-20
Also published as: DE102019119659A1; US10942275B2; US20200033477A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem (300, 500, 600), wobei das Verfahren umfasst:Anordnen eines optischen Elements als einem ersten Spiegel (605) zwischen einer Laserquelle (310, 510, 645) und einem pixelierten Detektor (650), wobei der erste Spiegel (605) hochgradig lichtdurchlässig ist und eine erste antireflexionsbeschichtete Oberfläche (610) aufweist, die der Laserquelle (310, 510, 645) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (615) aufweist, die dem pixelierten Detektor (650) zugewandt ist, wobei die zweite Oberfläche (615) eine hochreflektierende Oberfläche ist;Anordnen eines absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) als zweitem Spiegel zwischen dem pixelierten Detektor (650) und der Laserquelle (310, 510, 645), wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) eine erste Oberfläche (372, 630) aufweist, die der Laserquelle (310, 510, 645) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (625), die dem pixelierten Detektor (650) zugewandt ist und sich in unmittelbarer Nähe zu diesem befindet, und wobei die zweite Oberfläche (625) ferner eine Antireflexionsbeschichtung umfasst, wobei die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) eine hochreflektierende Oberfläche (630) ist;wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) einfallende Strahlung gleichmäßig wellenlängenunabhängig dämpft, d.h. neutral in Bezug auf die Wellenlänge;und wobei die hochreflektierende Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605) und die hochreflektierende Oberfläche (630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einander gegenüberliegen, so dass sie parallel zueinander sind und eine Fabry-Perot Resonatoranordnung bilden und der Laserstrahl im Betrieb innerhalb der Fabry-Perot Resonatoranordnung mehreren Reflexionen und einer damit verbundenen Zerlegung des Laserstrahls unterliegt,Emittieren eines Laserstrahls von der Laserquelle (310, 510, 645) auf die erste Oberfläche (610) des ersten Spiegels (605);Transmittieren eines Teils des auf die erste Oberfläche (610) des ersten Spiegels (605) einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605);Transmittieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605) einfallenden Lichts zur ersten Oberfläche (630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620);Transmittieren eines Teils des auf die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche (625) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620);Reflektieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche (625) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einfallenden Lichts; undAbsorbieren des reflektierten Teils des Lichts durch den absorbierenden Neutraldichtefilter (370, 620), um Geisterbilder am pixelierten Detektor (650) zu reduzieren.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laserabbildungssysteme sind im Stand der Technik für die Analyse von Laserstrahlen und für die Beobachtung eines Laserinteraktionsbereichs bei der Materialbearbeitung bekannt.
Geisterbilder in einer Bildebene in einem Laserabbildungssystem wie beispielsweise auf einem pixelierten Detektor einer digitalen CCD(Charged-Coupled Device)-Kamera oder CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)-Kamera oder einem anderen digitalen Abbildungssystem werden durch Lichtreflexionen von den optischen Medien des Abbildungssystems verursacht, wobei die optischen Medien einen Reflexions- und einen Transmissionsfaktor ungleich Null aufweisen. Eine Reflexion und Transmission von Licht ungleich Null ergibt sich aus dem Unterschied im Brechungsindex auf beiden Seiten der Grenzfläche. An der Grenzfläche wird ein Teil des einfallenden Lichts von einem Laserstrahl an der Oberfläche der optischen Medien transmittiert, während ein anderer Teil des einfallenden Lichts reflektiert wird. Das reflektierte Licht breitet sich dann wieder rückwärts bis zu einer anderen Oberfläche optischer Medien aus, wird erneut reflektiert und breitet sich schließlich zur Bildebene aus, was dazu führt, dass der pixelierte Detektor ein Geisterbild erfasst. Das Geisterbild ist unerwünscht, da es die Fähigkeit des pixelierten Detektors, den Laserstrahl genau zu messen, beeinträchtigt oder ein Bild verzerrt.
Obwohl Antireflexionsbeschichtungen für optische Medien zur Reduzierung der Geisterbilder im Stand der Technik bekannt sind, sind die bekannten Antireflexionsbeschichtungen nicht wirksam in Bezug auf die Minderung der Geisterreflexionen bei Anwendungen mit pixelierten Detektoren, die extrem empfindlich auf die Geisterbilder reagieren, oder wenn das Wellenlängenband breiter als etwa 25 nm bis 50 nm ist.
Folglich besteht auf dem Fachgebiet Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Reduzierung der Geisterbilder, die von einem Detektor eines Laserabbildungssystems gesehen werden. Aus dem Stand der Technik sind Filter bekannt, wie etwa aus „CCD Camera Beam Profiler; Thorlabs; 2016. URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3483, Kap. Overview und ND Filters, archiviert in http://web.archive.org/ am 18.06.2016 [abgerufen am 03.01.2020] und der DE 10 2013 022 162 A1 .
Angesichts des Stands der Technik in seiner Gesamtheit zum Zeitpunkt der vorliegenden Erfindung war es jedoch für einen Durchschnittsfachmann nicht offensichtlich, wie die Grenzen des Stands der Technik überwunden werden könnten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem bereit gemäß Anspruch 3.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem das Anordnen eines absorbierenden Neutraldichtefilters zwischen einem pixelierten Detektor und einer Laserquelle, wobei der absorbierende Neutraldichtefilter eine erste Oberfläche aufweist, die der Laserquelle zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche, die dem pixelierten Detektor zugewandt ist, und wobei die zweite Oberfläche eine antireflektierende Oberfläche ist. Das Verfahren beinhaltet ferner das Emittieren eines Laserstrahls von der Laserquelle auf die erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters, das Transmittieren eines Teils des auf die erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters, das Reflektieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts und das Absorbieren des reflektierten Teils des Lichts durch den absorbierenden Neutraldichtefilter, um Geisterbilder am pixelierten Detektor zu reduzieren.
In einer Ausführungsform kann die optische Dichte (OD) des absorbierenden Neutraldichtefilters mindestens -1 betragen. In einer anderen Ausführungsfonn kann die OD des absorbierenden Neutraldichtefilters etwa -0,5 betragen, wodurch ein Signal-RauschVerhältnis (SIR) gewährleistet ist, das mit dem von bekannten Antireflexionsbeschichtungen vergleichbar ist.
In einer speziellen Ausführungsform kann der absorbierende Neutraldichtefilter ein absorbierendes Glas sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters eine hochreflektierende Oberfläche sein und kann die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters eine antireflektierende Oberfläche aufweisen. In einer Ausführungsform kann die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters eine Antireflexionsbeschichtung aufweisen.
In einer spezifischen Ausführungsform kann die erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters mehr als etwa 99% reflektierend sein und kann die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters weniger als etwa -0,5% reflektierend sein.
Das Verfahren kann ferner vor dem Anordnen eines absorbierenden Neutraldichtefilters zwischen einem pixelierten Detektor und einer Laserquelle das Anordnen des absorbierenden Neutraldichtefilters in optischem Kontakt mit einem optischen Element beinhalten. Der optische Kontakt kann durch Kleben des absorbierenden Neutraldichtefilters an das optische Element unter Verwendung eines Klebstoffs mit einem Brechungsindex erreicht werden, der im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des absorbierenden Neutraldichtefilters und des optischen Elements ist. Alternativ kann der optische Kontakt auch durch Herstellen einer atomaren Bindung zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter und dem optischen Element erreicht werden.
In einer speziellen Ausführungsform kann das optische Element ein Schutzglasfenster des pixelierten Detektors sein und kann das Schutzglasfenster in optischem Kontakt mit der zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann das optische Element ein Spiegel sein, der den Laserstrahl reflektiert, aber sichtbares Licht zum absorbierenden Neutraldichtefilter transmittiert, und kann der Spiegel in optischem Kontakt mit der ersten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem bereit, die eine Laserquelle zum Emittieren eines Laserstrahls, einen pixelierten Detektor zum Analysieren des von der Laserquelle emittierten Laserstrahls und einen absorbierenden Neutraldichtefilter, der zwischen dem pixelierten Detektor und der Laserquelle angeordnet ist, umfasst. In dieser Ausführungsform weist der absorbierende Neutraldichtefilter eine erste Oberfläche auf, die der Laserquelle zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche, die dem pixelierten Detektor zugewandt ist. Im Betrieb empfängt der absorbierende Neutraldichtefilter einen von der Laserquelle emittierten Laserstrahl, transmittiert einen Teil des auf die erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters, reflektiert einen Teil des auf die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts und absorbiert den reflektierten Teil des Lichts, um Geisterbilder am pixelierten Detektor zu reduzieren.
Der pixelierte Detektor kann einen pixelierten Detektor zur Analyse des Laserstrahls umfassen, und der von der Laserquelle emittierte Laserstrahl kann sowohl longitudinal als auch räumlich kohärent sein.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem eine Laserquelle zum Emittieren eines Laserstrahls, einen pixelierten Detektor zum Analysieren des von der Laserquelle emittierten Laserstrahls, ein optisches Element und einen absorbierenden Neutraldichtefilter in optischem Kontakt mit dem optischen Element. In dieser Ausführungsform sind der absorbierende Neutraldichtefilter und das optische Element zwischen dem pixelierten Detektor und der Laserquelle angeordnet, weist der absorbierende Neutraldichtefilter eine erste Oberfläche auf, die der Laserquelle zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche, die dem pixelierten Detektor zugewandt ist. Im Betrieb dieser Ausführungsform empfängt der absorbierende Neutraldichtefilter einen von der Laserquelle emittierten Laserstrahl, transmittiert einen Teil des auf die erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters, reflektiert einen Teil des auf die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts und absorbiert den reflektierten Teil des Lichts, um Geisterbilder am pixelierten Detektor zu reduzieren. In einer Ausführungsform kann das optische Element ein Spiegel sein, der den Laserstrahl reflektiert, aber sichtbares Licht zum absorbierenden Neutraldichtefilter transmittiert, und in optischem Kontakt mit der ersten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das optische Element ein Schutzfenster für den pixelierten Detektor sein und kann das optische Element in optischem Kontakt mit der zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters stehen.
Diese und weitere wichtige Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Laufe dieser Beschreibung deutlich werden.
Die Anmeldung umfasst folglich die Konstruktionsmerkmale, Kombination von Elementen und Anordnung von Teilen, die in der nachstehend dargelegten Beschreibung durch Beispiele erläutert werden, und der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüchen angegeben.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis von Wesen und Zielen der Erfindung sei auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, wobei:

1 ist eine schematische Darstellung, die ein Laserabbildungssystem mit einem Schutzglasfenster und dem damit verbundenen Geisterbild an einem pixelierten Detektor veranschaulicht, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
2 ist eine Darstellung der resultierenden Interferenzsäume von Geisterbildern, die infolge Fresnel-Reflexionen mit kohärentem Laserlicht auf einem pixelierten Detektor entstehen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
3 zeigt ein Laserabbildungssystem, das einen absorbierenden Neutraldichtefilter enthält, der optisch mit dem Schutzglasfenster verbunden ist, um Geisterbilder zu reduzieren.
4 veranschaulicht den abgeschwächten Saumeffekt, der durch die Verwendung des verbesserten Laserabbildungssystems von 3 erzielt wird.
5 zeigt ein Laserabbildungssystem, das einen absorbierenden Neutraldichtefilter enthält, der optisch mit einem Laserumlenkspiegel verbunden ist, um Geisterbilder zu reduzieren.
6 zeigt ein Laserabbildungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem ein absorbierender Neutraldichtefilter in einen Fabry-Perot-Hohlraum integriert ist, um Geisterbilder zu reduzieren.
7 veranschaulicht die an einem Detektor gesehenen Geisterbilder, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
8 ist eine vergrößerte Ansicht von 7.
9 veranschaulicht eine zweite Oberflächenreflexion an einem optischen Element, die Geisterbilder eines transmittierten Laserstrahls an einem Detektor erzeugt, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
10 veranschaulicht die Geisterbilder, die sich aus den Reflexionen am optischen Element von 9 ergeben.
11 ist eine vergrößerte Ansicht von 10.
12 veranschaulicht die reduzierten Geisterbilder, die beim Einbau des absorbierenden Neutraldichtefilters in das Laserabbildungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beobachtet werden.
13 ist eine vergrößerte Ansicht von 12.
14 veranschaulicht die Reduzierung des Geisterbildes, welche sich aus dem in 6 dargestellten Laserabbildungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen stellt die die vorliegende Anmeldung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem bereit. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen eines absorbierenden Neutraldichtefilters mit einer optischen Dichte (OD) von mindestens -1 zwischen einem pixelierten Detektor und einer Laserquelle. Das Verfahren beinhaltet ferner das Emittieren eines Laserstrahls von der Laserquelle auf den absorbierenden Neutraldichtefilter, das Transmittieren eines Teils des auf eine erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts zu einer zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters, das Reflektieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters einfallenden Lichts und das Absorbieren des reflektierten Teils des Lichts durch den absorbierenden Neutraldichtefilter, um Geisterbilder am pixelierten Detektor zu reduzieren.
Fresnel-Reflexionen in der Optik sind eine anteilige Reflexion des einfallenden Lichts an einer diskreten Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien, wobei die beiden optischen Medien unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wie beispielsweise Luft und Glas. Eine übliche Fresnel-Reflexion bei überwiegend normalem Einfallswinkel (< 10 Grad), die an einer Luft-Glas-Grenzfläche auftritt, führt zu einem anteiligen Reflexionsverlust von etwa 4%, der durch den Unterschied zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex von Glas bedingt ist. Dieser Reflexionsverlust kann durch die Schichtung optischer Medien zwischen der Glas-Luft-Grenzfläche reduziert werden, um den Brechungsindexunterschied zwischen den Zwischenschichten allmählich zu verringern und dadurch den Reflexionsverlust auf Werte deutlich unter 0,5%, im Allgemeinen jedoch nicht unter 0,1% zu reduzieren, mit Ausnahme von sehr hochwertigen Einzelbeschichtungen vom Typ „V“. Fresnel-Reflexionen basieren auf der folgenden Gleichung: $R = \frac{{(n_{1} - n_{2})}^{2}}{{(n_{1} + n_{2})}^{2}}$
wobei R die prozentuale Reflexion zwischen dem ersten optischen Medium mit einem Brechungsindex von n₁ und dem zweiten optischen Medium mit einem Brechungsindex von n₂ ist. In einer exemplarischen Ausführungsform, wenn das erste optische Medium Luft mit einem Brechungsindex von gleich 1,00029 (n₁) ist und das zweite optische Medium Glas mit einem Brechungsindex von gleich 1,5 (n₂) ist, dann beträgt der Prozentanteil des von der Luft-Glas-Grenzfläche reflektierten Lichts etwa 4%. Da nur begrenzt viele Glasmaterialien verfügbar sind, um die Fresnel-Reflexion zu mildern, kann man folglich keine Reflexionsverluste von nahezu Null zwischen einer Luft-Glas-Grenzfläche erreichen.
Die transmittierte Energie für einen überwiegend normal einfallenden Laserstrahl zwischen zwei optischen Medien wird bestimmt durch: $T = \frac{4 n_{1} n_{2}}{{[n_{1} + n_{2}]}^{2}}$
Mit zunehmendem Einfallswinkel beginnt der Einfluss der Polarisation den Anteil von reflektiertem und transmittiertem Licht nach den folgenden Gleichungen zu beeinflussen: $t_{s} = \frac{2 n_{1} cos θ_{1}}{n_{1} cos θ_{1} + n_{2} cos θ_{2}}$
$r_{s} = \frac{n_{1} cos θ_{1} - n_{2} cos θ_{2}}{n_{1} cos θ_{1} + n_{2} cos θ_{2}}$
$t_{p} = \frac{2 n_{1} cos θ_{1}}{n_{1} cos θ_{2} + n_{2} cos θ_{1}}$
$r_{p} = \frac{n_{1} cos θ_{2} - n_{2} cos θ_{1}}{n_{1} cos θ_{2} + n_{2} cos θ_{1}}$
wobei t_s und r_s die transmittierten und die reflektierten Lichtwerte für die polarisierte Komponente „S“ und t_p und r_p die transmittierten und die reflektierten Lichtwerte für die polarisierte Komponente „P“ sind.
Um Reflexionsverluste an Luft-Glas-Grenzflächen zu reduzieren, wird gewöhnlich eine Antireflexionsbeschichtung verwendet, um Sekundärreflexionen oder „Geisterreflexionen“ zu vermeiden, welche die Betrachtung eines Objekts von Interesse durch ein menschliches Auge oder eine Kamera behindern können. Während Antireflexionsbeschichtungen in diesen Szenarien die Geisterreflexionen wirksam reduzieren, gibt es viele Abbildungssysteme, die viel empfindlicher für Geisterreflexionen sind als das menschliche Auge, wie zum Beispiel digitale CCD(Charged-Coupled Device)-, CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)-, für das SWIR-Lichtband InGaAs(Indiumgalliumarsenid)-, für das MWIR-Lichtband InSb(Indiumantimonid)- und für das LWIR-Lichtband Mikrobolometer-Kameras und -Abbildungssysteme. Digitale CCD- und CMOS-Abbildungssysteme enthalten gewöhnlich einen pixelierten Detektor, der eine Anordnung von lichtempfindlichen Pixeln umfasst, um eintreffende Photonen an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche des Detektors in elektronische Ladungen umzuwandeln. Fresnel-Reflexionen, die in diesen hochempfindlichen Abbildungssystemen auftreten, können ein Bild verschleiern oder eine Messung des Abbildungssystems, in dem sie eingesetzt werden, negativ beeinflussen.
Zudem werden Abbildungssysteme, die pixelierte Detektoren benutzen, gewöhnlich aus Halbleitermaterialien mittels lithographiebasierter Schaltungsfertigung hergestellt. Die aus diesem Herstellungsverfahren resultierende Schaltung ist extrem empfindlich und kann leicht beschädigt werden. Solche Abbildungssysteme auf Basis pixelierter Detektoren umfassen typischerweise ein Schutzglasfenster, um die zerbrechliche Schaltung vor Beschädigungen zu schützen. Die Verwendung eines Schutzglasfensters führt jedoch zu einer Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster und dem Detektor. Wie bereits erwähnt, hat die durch das Schutzglasfenster in das Abbildungssystem eingebrachte Luft-Glas-Grenzfläche unerwünschte Fresnel-Reflexionen zur Folge, die hier als Geisterreflexionen bezeichnet werden.
Bei einigen Abbildungssystemen kann das zum Schutz der empfindlichen Schaltung verwendete Schutzglasfenster ein unbeschichtetes Glassubstrat im sichtbaren Teil des optischen Spektrums sein. Bei anderen Abbildungssystemen wie z.B. Kurzwellen-Infrarot(SWIR)-, Mittelwellen-Infrarot(MWIR)- und Langwellen-Infrarot(L WIR)-Detektoren kann ein für das interessierende Wellenlängenband geeignetes Schutzglasfenster verwendet werden. Im Falle von CCD- und CMOS-Sensoren, bei denen das Wellenlängenband vom Ultravioletten (UV) bis zum Nahinfrarot (NIR) (von 190 nm bis mehr als 1100 nm) reichen kann, kann ein Schutzglasfenster aus Quarzglas in UV-Qualität im Abbildungssystem verwendet werden. In Anbetracht des sehr breiten Wellenlängenbereichs, der bei CCD- und CMOS-basierten Abbildungssystemen möglich ist, ist es äußerst schwierig, eine Grenzflächenbeschichtung auf das Schutzglasfenster aufzubringen, welche die Fresnel-Reflexionen über diesen breiten Wellenlängenbereich wirksam reduzieren würde. Von daher wird bei den meisten Sensoren, die über diese Bandbreite verwendet werden, das Schutzfenster weggelassen, um die Fresnel-Reflexionsverluste und die damit verbundenen Geisterreflexionen zu vermeiden, welche die Messfähigkeit der Sensoren beeinträchtigen können.
Bezugnehmend auf 1 kann ein Abbildungssystem 100 nach dem Stand der Technik eine Laserquelle 110, ein Schutzglasfenster 120 und einen pixelierten Detektor 125 umfassen. Im Stand der Technik ist das Schutzglasfenster 120 zwischen der Laserquelle 110 und dem Sensormaterial des pixelierten Detektors 125 angeordnet, um die Sensorschaltung des pixelierten Detektors 125 zu schützen.
Bei Betrieb des Abbildungssystems 100 des bisherigen Stands der Technik durchwandert ein von der Laserquelle 110 emittierter Laserstrahl 115 die Luft und trifft auf die erste Oberfläche 170 der Schutzglasfensters 120. An dieser Luft-Glas-Grenzfläche erfolgt eine erste Fresnel-Reflexion, wobei ein erster transmittierter Teil 130 des Lichts von dem Laserstrahl durch das Schutzglasfenster 120 transmittiert wird und ein erster reflektierter Teil 140 des Lichts reflektiert wird. Der transmittierte Teil 130 trifft dann auf die zweite Oberfläche 175 des Schutzglasfensters 120, und es erfolgt an dieser Glas-Luft-Grenzfläche eine zweite Fresnel-Reflexion, wobei ein zweiter transmittierter Teil 135 des Lichts durch die Luft transmittiert wird und auf den pixelierten Detektor 125 trifft und ein zweiter reflektierter Teil 145 des Lichts reflektiert wird. Dieser zweite reflektierte Teil 145 des Lichts trifft erneut auf die erste Oberfläche 170, was zu einem dritten transmittierten Teil 150 des Lichts, der in die Luft eintritt, und einem dritten reflektierten Teil 152 des Lichts führt, der durch das Schutzglasfenster 120 zurückgeleitet wird. Dieser dritte reflektierte Teil 152 des Lichts erfährt eine weitere Fresnel-Reflexion an der Luft-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 120 und dem pixelierten Detektor 125, was dazu führt, dass ein vierter transmittierter Teil 155 des Lichts auf den pixelierten Detektor 125 trifft und ein vierter reflektierter Teil 160 des Lichts durch das Schutzglasfenster 120 reflektiert wird. Der vierte transmittierte Teil 155 des Lichts, der auf den pixelierten Detektor 125 trifft, führt zu einem Geisterbild am pixelierten Detektor 125. Im Allgemeinen bewirkt, wie in 1 dargestellt, jede Grenzfläche optischer Medien, die der einfallende Laserstrahl 115 kreuzt, dass ein Teil des einfallenden Lichts reflektiert wird, wodurch ein Geisterbild des einfallenden Strahls auf dem pixelierten Detektor erzeugt wird. Das Geisterbild des einfallenden Laserstrahls 115 ist unerwünscht, da ein typischer Laserstrahl sowohl longitudinal als auch räumlich äußerst kohärent sein kann und die Fresnel-Reflexion und das damit verbundene Geisterbild destruktive und konstruktive Interferenzsäume verursachen. Die resultierende räumliche Modulation auf dem Strahl wäre ein Rauschen, welches das wahre räumliche Profil des Laserstrahls verschleiern würde.
2 zeigt eine Graustufen-3D-Intensität eines Geisterbildes, die sich aus einem kohärenten Laserstrahl mit einem nominalen Strahldurchmesser von 1 mm und einer Wellenlänge von 532 nm ergibt und die von einem pixelierten Detektor (2048 x 1088 Pixel) mit einem Schutzglasfenster erfasst wird. Wie man sieht, ist die auf das Geisterbild zurückzuführende konstruktive und destruktive Interferenz sehr ausgeprägt und würde die Fähigkeit des pixelierten Detektors zur Durchführung genauer Laserstrahlmessungen stark beeinträchtigen, obwohl das reflektierte Licht des Laserstrahls nur etwa 4% des emittierten Laserstrahls ausmacht.
In verschiedenen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zur Minderung von Geisterreflexionen infolge Fresnel-Reflexionsverlusten bei Abbildungssystemen bereit, die pixelierte Detektoren nutzen, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf CCD-, CMOS-, InGaAs-, InSb- und Mikrobolometersensoren.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Anmeldung ein verbessertes Schutzfenster für einen pixelierten Detektor eines Abbildungssystems bereit, das nicht zu den negativen Auswirkungen von Fresnel- und Geisterreflexionen führt. Das verbesserte Schutzfenster bietet Schutz für die empfindliche Schaltung des Laserabbildungssystems, ohne Geisterreflexionen in die Messung des Lasers einzubringen.
Bezugnehmend auf 3 kann ein Abbildungssystem 300 eine Laserquelle 310, ein Schutzglasfenster 320, einen pixelierten Detektor 325 und einen absorbierenden Neutraldichtefilter 370 umfassen, der optisch mit dem Schutzglasfenster 320 verbunden ist.
Die Laserquelle 310 kann eine von zahlreichen Laserquellen sein, die im Stand der Technik bekannt sind. Handelsübliche Laser mit Leistungen von Nanowatt bis Multikilowatt fallen in den Bereich der vorliegenden Erfindung. In einer speziellen Ausführungsform ist die Laserquelle 310 in der Lage, einen Laserstrahl zu emittieren, der sowohl longitudinal als auch räumlich kohärent sein kann.
Das Schutzglasfenster 320 kann ein unbeschichtetes Glassubstrat für den sichtbaren Teil des optischen Spektrums sein. Alternativ kann das Schutzglasfenster ein beschichtetes Glasfenster sein, das für das der Laserquelle 310 zugehörige Wellenlängenband geeignet ist. Die Oberfläche des Schutzglasfensters, die dem pixelierten Detektor 325 zugewandt ist, umfasst eine Antireflexionsbeschichtung 322. Das Schutzglasfenster 320 ist im Allgemeinen so angeordnet, dass die empfindliche Schaltung des pixelierten Detektors 325 vor physischer Beschädigung geschützt ist.
Der pixelierte Detektor 325 kann einer von vielen im Stand der Technik bekannten pixelierten Detektoren sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf CCD (Charge-Coupled Device)- und CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)- oder andere pixelierte Detektoren. Der pixelierte Detektor 325 ist dafür konfiguriert, den von der Laserquelle 310 emittierten Laserstrahl zu analysieren. Die Analyse kann verschiedene Messungen beinhalten, wie z.B., aber nicht beschränkt auf das räumliche Profil, den Schwerpunkt und die Elliptizität des Laserstrahls.
Der absorbierende Neutraldichtefilter 370 der vorliegenden Erfindung dämpft einfallende Strahlung gleichmäßig wellenlängenunabhängig, d.h. neutral in Bezug auf die Wellenlänge. Der absorbierende Neutraldichtefilter 370 ist gekennzeichnet durch den Prozentsatz des transmittierten einfallenden Lichts oder durch seine optische Dichte (OD). Wenn 10% des Lichts transmittiert werden (T=0,1), wird dem Filter eine OD von gleich -1 zugeschrieben. Bei T=0,01 wird dem Filter eine OD von gleich -2 zugeschrieben und bei T=0,001 wird dem Filter eine OD von gleich -3 zugeschrieben. Im Allgemeinen gilt OD = log10(T).
Der absorbierende Neutraldichtefilter 370 kann aus verschiedenen im Stand der Technik bekannten absorbierenden Glassubstraten hergestellt sein. So kann zum Beispiel der absorbierende Neutraldichtefilter 370 aus einem einer Vielzahl von Schott®-NG- oder Hoya®-ND-Gläsern oder jedem anderen Glas mit einer nahezu gleichbleibenden Dämpfung innerhalb des sichtbaren Spektrums hergestellt sein. Für den Fachmann läge auf der Hand, dass jedes „absorbierende“ Glas mit einer OD ∼ -1,0 in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung fällt.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der absorbierende Neutraldichtefilter 370 eine erste Oberfläche 372, die der Laserquelle 310 zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche 374, die dem pixelierten Detektor 325 zugewandt ist. Des Weiteren steht die zweite Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 in optischem Kontakt mit dem Schutzglasfenster 320. In dieser Ausführungsform steht eine erste Oberfläche des Schutzglasfensters 320 in optischem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 und umfasst eine zweite Oberfläche des Schutzglasfensters 320 eine Antireflexionsbeschichtung 322. Das Schutzglasfenster 320 befindet sich in unmittelbarer Nähe zum pixelierten Detektor 325. In einer speziellen Ausführungsform ist das Schutzglasfenster 320 so angeordnet, dass es weniger als etwa 5 mm vom pixelierten Detektor 325 entfernt ist.
In einer Ausführungsform ist das Schutzglasfenster 320 durch Kleben einer Oberfläche des Schutzglasfensters 320 an die zweite Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 unter Verwendung von optischem Kleber oder Klebstoff mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen dem Brechungsindex des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 und des Schutzglasfensters 320 entspricht, in optischem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 angeordnet. Für das optische Kleben kann eine Vielzahl verschiedener Klebstoffe 375 verwendet werden, darunter weithin bekannte optische Kleber von Norland Products®, Silikon, optisches Epoxid und Polyurethan. Eines der Ziele des optischen Klebens ist es, den Luftspalt zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und den Schutzglasfenstern 320 mit dem Klebstoff 175 optischer Güte zu beseitigen. Im Allgemeinen sollte die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Klebstoffs und dem Brechungsindex sowohl des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 als auch des Schutzglasfensters 320 weniger als etwa 20% betragen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der optische Kontakt zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und dem Schutzglasfenster 320 durch atomare Bindung hergestellt werden. Die atomare Bindung ist ein klebstofffreier Prozess, bei dem zwei eng konforme Oberflächen durch rein intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden. Um eine atomare Bindung zu erreichen, müssten der absorbierende Neutraldichtefilter 370 und das Schutzglasfenster 320 sehr gut poliert und einer minimalen thermischen Zyklierung ausgesetzt werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform von 3 kann der absorbierende Neutraldichtefilter 370 aus Schott® NG4-Glasmaterial mit einer Nenndicke von 1,9 mm und einem Brechungsindex von etwa 1,51 bei einer Laserstrahlwellenlänge von etwa 532 nm hergestellt sein. Das Schutzglasfenster 320 kann eine 1 mm dicke Schutzglasabdeckung eines pixelierten Detektors 325 mit einem Brechungsindex von etwa 1,52 bei einer Laserstrahlwellenlänge von etwa 532 nm sein. Der absorbierende Neutraldichtefilter 370 kann durch einen indexangepassten Klebstoff mit einem Nennbrechungsindex von etwa 1,56 wie beispielsweise Norland Products® NOA 61 optisch am Schutzglasfenster 320 befestigt werden
Bei Betrieb des Laserabbildungssystems 300 von 3 trifft ein Laserstrahl 315 aus der Laserquelle 310 auf die erste Oberfläche 372 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370. Unter der Annahme, dass der absorbierende Neutraldichtefilter eine OD von etwa - 1 im sichtbaren Band aufweist, dämpft der absorbierende Neutraldichtefilter 370 das Licht vom Laserstrahl 315 um etwa 90%. Ein Teil des Lichts 340 vom Laserstrahl 315 geht auch durch eine Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen der Laserquelle 310 und dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 verloren. Von daher werden etwa 10% des Lichts 380 durch den absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und das Schutzglasfenster 320 transmittiert. Das transmittierte Licht 380 verlässt das Schutzglasfenster 320 und erfährt eine Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem pixelierten Detektor 325. Die Grenzfläche zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und der optischen Klebverbindung 375 führt zu einer geringfügigen Reflexion des Lichts 390. Dieses reflektierte Licht 390 ist ein kleiner Wert und wird durch die geringe Reflexion belanglos, und die Rückreflexion 390 wird vom Neutraldichtefilter 370 bis jenseits der Detektionsgrenzen des pixelierten Detektors 325 im Wesentlichen vollständig absorbiert. Das von der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem pixelierten Detektor 325 reflektierte Licht 395 wird durch das Schutzglasfenster 320 und den absorbierenden Neutraldichtefilter 370 zurückreflektiert. Das reflektierte Licht 395 wird dann vom absorbierenden Neutraldichtefilter 370 absorbiert, und sein Einfluss auf die Interferenz wird bis jenseits der Detektion durch den pixelierten Detektor gemindert. Zusätzlich beseitigt die Antireflexionsbeschichtung auf der zweiten Oberfläche des Schutzglasfensters 320 die destruktive und konstruktive Interferenz, die durch die Fresnel-Reflexionen an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem pixelierten Detektor 325 entsteht. Während im Stand der Technik dieses reflektierte Licht 390 zu einem Geisterbild am pixelierten Detektor 325 führen würde, absorbiert bei der vorliegenden Erfindung der absorbierende Neutraldichtefilter 370 wirksam das reflektierte Licht 390 von der Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem pixelierten Detektor 325, wodurch das Auftreten des Geisterbildes am pixelierten Detektor 325 reduziert wird.
Obwohl nur etwa 10% des Lichts vom Laserstrahl 315, abzüglich der etwa 4% Fresnel-Reflexion 340, als Licht 335 zum pixelierten Detektor 325 transmittiert werden, müssen die meisten Laserstrahlen, die in Laserabbildungssystemen verwendet werden, stark abgeschwächt werden, bevor sie den Sensor des pixelierten Detektors 325 beleuchten können. Aufgrund der beträchtlichen Anzahl von Photonen, die vom Laserstrahl 315 zur Verfügung stehen, und des großen Dynamikbereichs des Sensors des pixelierten Detektors 325 ist das verlorene Licht für den Betrieb des Laserabbildungssystems 300 belanglos.
Obwohl bei der vorliegenden Erfindung die Geisterreflexion 390 immer noch vorhanden ist, wird sie infolge der Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem pixelierten Detektor 325 durch das Schutzglasfenster 320 und den absorbierenden Neutraldichtefilter 370 zurückreflektiert, wodurch das reflektierte Licht um einen weiteren Faktor 10 weiter abgeschwächt wird. Von daher beträgt die Geister-Fresnel-Reflexion nur 1/100 des auf den pixelierten Detektor 325 einfallenden Lichts 335, was weitaus besser ist als alle im Stand der der Technik bekannten Antireflexionsbeschichtungen.
Für den Fachmann läge zudem auf der Hand, dass die Verwendung eines noch stärker absorbierenden Glases im absorbierenden Neutraldichtefilter 370 die Fresnel-Reflexionen und das damit verbundene Geisterbild des Laserabbildungssystems 300 weiter reduzieren würde. Im Allgemeinen fällt jedes absorbierende Glas, das eine OD ≤ -1 für die verwendete Wellenlänge aufweist, in den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt das Ergebnis, wenn das Laserabbildungssystem 300 einen absorbierenden Neutraldichtefilter 370 umfasst, wie er in 3 dargestellt ist. In 4 ist zu erkennen, dass es keine Anzeichen von Saumbildung durch optische Interferenz gibt.
Folglich hat die in 3 dargestellte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass das Geisterbild auf Werte abgeschwächt wird, die vom pixelierten Detektor nicht erkannt werden können. Der absorbierende Neutraldichtefilter bietet zudem eine zusätzliche optische Dämpfung von OD ≤ -1, die es dem pixelierten Detektor ermöglicht, eine um mindestens den Faktor 10 erhöhte Laserleistung zu bewältigen, im Gegensatz zum aktuellen Stand der Technik, bei dem es sich um einen fensterlosen pixelierten Detektor handelt.
In einer weiteren Ausführungsform kann anstelle der optischen Befestigung des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 am Schutzglasfenster 320 das Schutzfenster des pixelierten Detektors vollständig durch den absorbierenden Neutraldichtefilter 370 ersetzt werden. Der absorbierende Neutraldichtefilter 370 kann während des Herstellungsprozesses des pixelierten Detektors anstelle des Schutzglasfensters 320 installiert werden, wodurch der zusätzliche Schritt des Verbindens des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 mit dem Schutzglasfenster 320 entfällt. In dieser Ausführungsform wäre der absorbierende Neutraldichtefilter 370 in unmittelbarer Nähe des pixelierten Detektors 325 positioniert. In einer speziellen Ausführungsform wäre der absorbierende Neutraldichtefilter 370 weniger als etwa 5 mm vom pixelierten Detektor 325 entfernt angeordnet.
Bezugnehmend auf 5 können in einer weiteren Ausführungsform Geisterbilder außerdem in einem Laserabbildungssystem 500 wie beispielsweise einem für die Materialbearbeitung verwendeten Laser und einem Visionssystem, das die Sicht auf den Laserinteraktionsbereich ermöglicht, reduziert werden. Bei Betrieb dieser Ausführungsform wird ein Laserstrahl 515 von einer Laserquelle 510 auf ein optisches Element 520 mit einer Spiegeloberfläche 522 gerichtet, die den Laser 530 reflektiert und gleichzeitig sichtbares Licht 535 durchlässt. Von daher kann bei dieser Ausführungsform das optische Element 520 als Laserumlenkspiegel bezeichnet werden, da es den Laser 530 auf das Werkstück 580 umlenkt. Um den Laserinteraktionsbereich zu betrachten, ist ein pixelierter Detektor in das Laserabbildungssystem 500 integriert. In einer Ausführungsform liefert Beleuchtungslicht 507 von einer Beleuchtungslichtquelle 505 des pixelierten Detektors Beleuchtungslicht 507 für das Materialbearbeitungswerkstück 580, das dem Laser 530 von der Laserquelle 510 ausgesetzt ist. Zur Fokussierung des Laserlichts und des Beleuchtungslichts können dem Laserabbildungssystem 500 zusätzliche Linsen 519, 542 hinzugefügt werden.
In einer exemplarischen Ausführungsform kann ein Benutzer eines Laserbearbeitungssystems das vom Laser 530 im Materialbearbeitungssystem beaufschlagte Werkstück 580 betrachten, indem er das Werkstück mit einer Lichtquelle 507 beleuchtet. Gewöhnlich ist das Beleuchtungslicht 507 vom pixelierten Detektor 505 Weißlicht oder LED-Licht. In dieser Ausführungsform erzeugt das transmittierte Licht 535 vom optischen Element 530 durch die Umlenkung des Lasers 515 durch den Umlenkspiegel 520 keine Geisterbilder am Detektor 525, jedoch kann das Beleuchtungslicht 507 von der Beleuchtungslichtquelle 505 erkennbare Geisterbilder erzeugen.
In dieser Ausführungsform trifft das Beleuchtungslicht 507 auf den Umlenkspiegel 520, wobei ein Teil des Beleuchtungslichts 546 von der Spiegeloberfläche reflektiert wird und ein Teil des Beleuchtungslichts 544 durch den Umlenkspiegel transmittiert wird. Typischerweise ist die zweite Oberfläche 524 eines Laserumlenkspiegels 520 unbe- . schichtet, was aufgrund der Glas-Luft-Grenzfläche zu einer Geister-Fresnel-Reflexion des einfallenden Beleuchtungslichts 507 führen würde. Obwohl bekannt ist, dass die Beschichtung der zweiten Oberfläche 524 des Laserumlenkspiegels 520 mit einer Antireflexionsbeschichtung Geisterbilder relativ wirksam reduziert, können die verbleibenden Geisterbilder trotzdem noch im Erfassungsbereich des pixelierten Detektors 525 liegen.
In der vorliegenden Erfindung ist ein absorbierender Neutraldichtefilter 570 so angeordnet, dass er mit der Oberfläche des Laserumlenkspiegels 520, die dem pixelierten Detektor 525 am nächsten liegt, in optischem Kontakt steht. Wie bereits beschrieben, weist der absorbierende Neutraldichtefilter 570 eine OD ≤ -1 auf, wodurch die Notwendigkeit einer Antireflexionsbeschichtung entfällt und gleichzeitig das auf den pixelierten Detektor 525 einfallende Geisterbild stark reduziert wird.
Im Allgemeinen, wie bei der Ausführungsform von 5 dargestellt, reduziert das Hinzufügen des absorbierenden Neutraldichtefilters 570 zum Laserabbildungssystem 500 die vom pixelierten Detektor 525 erkannten Geisterbilder, die von dem Beleuchtungslicht 507 des pixelierten Detektors herrühren, erheblich und verbessert dadurch die Genauigkeit der vom pixelierten Detektor 525 vorgenommenen Messungen.
Wie Bezugnehmend auf 6 dargestellt, kann ein erfindungsgemäßes Laserabbildungssystem 600 ein Paar optischer Elemente umfassen, die als hochreflektierende Spiegel 605, 620 betrachtet werden. Der erste Spiegel 605 ist aus hochgradig lichtdurchlässigem Glas hergestellt, das für die Wellenlänge des Lasers 645 geeignet ist, wie beispielsweise Quarzglas (SiO₂), das einen hohen Transmissionsgrad vom Ultraviolett- bis zum Nahinfrarotbereich des Spektrums aufweist. Der zweite Spiegel 620 ist aus einem absorbierenden Glasmaterial gefertigt, das wieder für die Wellenlänge des Lasers 645 geeignet ist, wie beispielsweise ein absorbierendes Neutraldichtefiltermaterial. Der erste Spiegel 605 weist eine hochreflektierende Oberfläche 615 und eine antireflexionsbeschichtete Oberfläche 610 auf, und der zweite Spiegel 620 weist eine hochreflektierende Oberfläche 630 und eine antireflexionsbeschichtete Oberfläche 625 auf. Der zweite Spiegel mit einem absorbierenden Substrat, einer hochreflektierenden Oberfläche 630 und einer antireflexionsbeschichteten Oberfläche 625 wird bei dieser Ausführungsform als absorbierender Neutraldichtefilter 620 betrachtet. In einer speziellen Ausführungsform können die hochreflektierenden Oberflächen 615, 630 zwischen etwa 98% und 99,9% reflektierend für den Laser 645 sein.
Der erste Spiegel 605 und der absorbierende Neutraldichtefilter 620 sind stromabwärts von einer Fokussierlinse 635 zum Fokussieren des empfangenen Laserstrahls 645 angeordnet. Der erste Spiegel 605 und der absorbierende Neutraldichtefilter 620 weisen jeweils hochreflektierende Oberflächen 615, 630 auf, die einander gegenüberliegen, wie dies in 6 dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Spiegeln 605, 620 ist von wenigen Mikrometern bis zu mehr als zehn Millimetern (10 mm) einstellbar.
In der Ausführungsform von 6 kann der absorbierende Neutraldichtefilter 620 durch eine vertikale und horizontale Justierhalterung weiter verstellt werden, um den ersten Spiegel 605 und den absorbierenden Neutraldichtefilter 620 so auszurichten, dass sie parallel zueinander sind und dadurch eine Fabry-Perot-Resonatoranordnung bilden. Im Betrieb unterliegt der Laserstrahl 645 innerhalb der Fabry-Perot-Resonatoranordnung mehreren Reflexionen und einer damit verbundenen Zerlegung des Laserstrahls 645. Von daher ist jeder nachfolgend transmittierte Strahl 655, der auf den pixelierten Detektor 650 trifft, von einer geringen Intensität von etwa weniger als 1%. Wenn eine nominale gedämpfte Laserleistung 645 von einem Watt durch eine Linse 635 fokussiert wird, um auf den ersten Spiegel 605 einzufallen, durchquert sie zuerst die antireflexionsbeschichtete Oberfläche 610, und dann werden mehr als neunundneunzig Prozent (99%) des Laserlichts von der hochreflektierenden Oberfläche 630 des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 reflektiert und können auf eine einfache Strahlfalle (nicht dargestellt) gesendet werden. Von daher ist die hochreflektierende Oberfläche 630 des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 über 99% reflektierend und ist die antireflexionsbeschichtete Oberfläche 625 des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 weniger als 0,5% reflektierend. Entsprechend absorbiert der absorbierende Neutraldichtefilter 620, wie bereits beschrieben, das von der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 620 und dem pixelierten Detektor 650 zurückreflektierte Licht und reduziert so das vom pixelierten Detektor gesehene Geisterbild.
Im Allgemeinen wirkt der absorbierende Neutraldichtefilter 620 in der Ausführungsform von 6 dahingehend, dass die vom pixelierten Detektor gesehenen Geisterbilder erheblich reduziert werden. Darüber hinaus kann durch die Anordnung des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 im Laserabbildungssystem 600 die Notwendigkeit entfallen, einen Absorptionsfilter zwischen den optischen Elementen 605, 620 und dem pixelierten Detektor zu platzieren, wie es im Stand der Technik allgemein bekannt ist.
7 veranschaulicht das grundlegende Phänomen eines durch die zweite Oberfläche bedingten Geisterbildes oder -flecks an einem pixelierten Detektor, wie es im Stand der Technik bekannt ist. 8 ist ein vergrößertes Bild von 7, das den transmittierten Strahl und die im Stand der Technik auftretenden Geisterbilder deutlicher darstellt.
9 zeigt, wie das Geisterbild durch ein optisches Element 900 erzeugt wird, das sowohl als reflektierendes als auch als transmissives optisches Element 900 dient. In einer Ausführungsform kann das optische Element ein im Wesentlichen lichtdurchlässiges Glas wie beispielsweise SiO2 sein. Bei Betrieb tritt ein Laserstrahl, der auf eine erste Oberfläche 910 des optischen Elements 900 trifft, in das optische Element 900 ein, und es wird abhängig von den spezifischen Beschichtungen auf der ersten Oberfläche 910 und der zweiten Oberfläche 915 ein Teil des Laserlichts 905 von der ersten Oberfläche 910 reflektiert 920 und ein Teil des Laserlichts 905 durch das Glas transmittiert 925. Das transmittierte Licht 925 trifft dann auf die zweite Oberfläche 915, die im Allgemeinen antireflexionsbeschichtet ist, so dass typischerweise weniger als 0,5% des Lichts in das Glas zurückreflektiert werden 930 und das verbleibende Licht hindurchtritt 935 und vom Detektor analysiert wird. Diese weniger als 0,5% des reflektierten Lichts 930 treffen dann wieder auf die erste Oberfläche 910 des optischen Elements 900 und werden dann wieder in Richtung der zweiten Oberfläche 915 zurückreflektiert 940, was zu einem Geisterbild 945 am Detektor führt. Es ist dieses Geisterbild 945, das das Messsystem am Detektor störend beeinflusst.
10 zeigt eine Detektorsimulation des Geisterbildes, wobei der transmittierte Strahl und das durch die zweite Oberfläche bedingte Geisterbild dargestellt sind, das bei Verwendung des in 9 dargestellten optischen Elements 900 in einem Laserabbildungssystem auftreten würde. 11 zeigt eine vergrößerte Ansicht der beiden Strahlen von 10 mit dem gewünschten transmittierten Strahl und dem unerwünschten Geisterbild.
12 zeigt eine Detektorsimulation, bei der gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das SiO₂-Glas des optischen Elements 900 von 9 durch das absorbierende Filterglas Schott® NG11 ersetzt wurde. 13 zeigt eine vergrößerte Ansicht des resultierenden transmittierten Strahls und des Geisterbildes von 12. Wie in 13 zu erkennen ist, wirken die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dahingehend, dass sie das Geisterbild am Detektor stark reduzieren. Die Simulation zeigte eine mehr als 10-fache Reduzierung der Intensität der Geisterbilder. Von daher würde selbst bei einer ähnlichen Antireflexionsbeschichtung auf der zweiten Oberfläche die Netto-Reflexion an der zweiten Oberfläche bei Verwendung von NG11 -Glas im optischen Element 900 von weniger als 0,5% auf weniger als 0,05% reduziert werden. Eine derartige Reduzierung der Geisterbildintensität würde vom pixelierten Detektor im Gegensatz zum übertragenen Strahl nicht merklich erkannt werden und in das Rauschen des pixelierten Detektors fallen, wodurch die Fähigkeit des pixelierten Detektors zur genauen Analyse des Laserstrahls verbessert würde.
14 zeigt die vom Detektor gesehenen resultierenden Bilder in Bezug auf die Ausführungsform in 6, wobei das optische Element 620 ein absorbierender Neutraldichtefilter aus Schott® NG11 ist. Wie in 14 zu erkennen ist, wird das Geisterbild für die angegebene Belichtungszeit des Detektors unterdrückt. Zudem würde die Verwendung eines stärker absorbierenden Filters wie Schott® NG1, NG4, NG5, NG9 oder irgendeines anderen im Stand der Technik bekannten Absorptionsfilters dieses Verhältnis erhöhen und zugleich die Intensität des zu messenden transmittierten Strahls verringern, ohne dass ein zweiter Absorptionsfilter vor dem Detektor platziert werden müsste.
Folglich stellt die vorliegende Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen ein verbessertes Laserabbildungssystem bereit, das die vom Detektor des Abbildungssystems gesehenen Geisterbilder wirksam reduziert und dadurch die Fähigkeit des Detektors zur genauen Analyse eines einfallenden Lasers verbessert.
Es wird somit ersichtlich, dass die oben genannten und aus der vorstehenden Beschreibung hervorgehenden Ziele effizient erreicht werden, und da bestimmte Änderungen an der obigen Konstruktion vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, sollen alle in der obigen Beschreibung enthaltenen oder in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Sachverhalte als erläuternd und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden.
Auch versteht sich, dass die folgenden Ansprüche alle hierin beschriebenen generischen und spezifischen Merkmale der Erfindung sowie alle Aussagen über den Umfang der Erfindung, die sprachlich gesehen dazwischen liegen könnten, abdecken sollen.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem (300, 500, 600), wobei das Verfahren umfasst: Anordnen eines optischen Elements als einem ersten Spiegel (605) zwischen einer Laserquelle (310, 510, 645) und einem pixelierten Detektor (650), wobei der erste Spiegel (605) hochgradig lichtdurchlässig ist und eine erste antireflexionsbeschichtete Oberfläche (610) aufweist, die der Laserquelle (310, 510, 645) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (615) aufweist, die dem pixelierten Detektor (650) zugewandt ist, wobei die zweite Oberfläche (615) eine hochreflektierende Oberfläche ist; Anordnen eines absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) als zweitem Spiegel zwischen dem pixelierten Detektor (650) und der Laserquelle (310, 510, 645), wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) eine erste Oberfläche (372, 630) aufweist, die der Laserquelle (310, 510, 645) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (625), die dem pixelierten Detektor (650) zugewandt ist und sich in unmittelbarer Nähe zu diesem befindet, und wobei die zweite Oberfläche (625) ferner eine Antireflexionsbeschichtung umfasst, wobei die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) eine hochreflektierende Oberfläche (630) ist; wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) einfallende Strahlung gleichmäßig wellenlängenunabhängig dämpft, d.h. neutral in Bezug auf die Wellenlänge; und wobei die hochreflektierende Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605) und die hochreflektierende Oberfläche (630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einander gegenüberliegen, so dass sie parallel zueinander sind und eine Fabry-Perot Resonatoranordnung bilden und der Laserstrahl im Betrieb innerhalb der Fabry-Perot Resonatoranordnung mehreren Reflexionen und einer damit verbundenen Zerlegung des Laserstrahls unterliegt, Emittieren eines Laserstrahls von der Laserquelle (310, 510, 645) auf die erste Oberfläche (610) des ersten Spiegels (605); Transmittieren eines Teils des auf die erste Oberfläche (610) des ersten Spiegels (605) einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605); Transmittieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605) einfallenden Lichts zur ersten Oberfläche (630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620); Transmittieren eines Teils des auf die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche (625) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620); Reflektieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche (625) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einfallenden Lichts; und Absorbieren des reflektierten Teils des Lichts durch den absorbierenden Neutraldichtefilter (370, 620), um Geisterbilder am pixelierten Detektor (650) zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) ein absorbierendes Glas mit einer optischen Dichte (OD) von mindestens -1 ist.
Ein Laserabbildungssystem (300, 500, 600), umfassend: eine Laserquelle (310, 510, 645) zum Emittieren eines Laserstrahls; eine Vorrichtung zur Reduzierung von Geisterbildern im Laserabbildungssystem (300, 500, 600), wobei die Vorrichtung umfasst einen pixelierten Detektor zum Analysieren des von der Laserquelle (310, 510, 645) emittierten Laserstrahls; ein optisches Element als einem ersten Spiegel (605), der zwischen der Laserquelle (310, 510, 645) und dem pixelierten Detektor (650) angeordnet ist, wobei der erste Spiegel (605) hochgradig lichtdurchlässig ist und eine erste antireflexionsbeschichtete Oberfläche (610) aufweist, die der Laserquelle (310, 510, 645) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (615) aufweist, die dem pixelierten Detektor (650) zugewandt ist, wobei die zweite Oberfläche (615) eine hochreflektierende Oberfläche ist, einen absorbierenden Neutraldichtefilter (370, 620), der zwischen dem pixelierten Detektor und der Laserquelle (310, 510, 645) angeordnet ist; wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) eine erste Oberfläche (372, 630) aufweist, die der Laserquelle (310, 510, 645) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (625), die dem pixelierten Detektor zugewandt ist und sich in unmittelbarer Nähe zu diesem befindet, und wobei die zweite Oberfläche (625) eine Antireflexionsbeschichtung umfasst, wobei die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) eine hochreflektierende Oberfläche ist, wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) einfallende Strahlung gleichmäßig wellenlängenunabhängig dämpft, d.h. neutral in Bezug auf die Wellenlänge und wobei die hochreflektierende Oberfläche (615) des ersten Spiegels (605) und die hochreflektierende Oberfläche (630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einander gegenüberliegen, so dass sie parallel zueinander sind und eine Fabry-Perot Resonatoranordnung bilden und der Laserstrahl im Betrieb innerhalb der Fabry-Perot Resonatoranordnung mehreren Reflexionen und einer damit verbundenen Zerlegung des Laserstrahls unterliegt; und wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) ausgebildet ist zum Empfangen eines von der Laserquelle (310, 510, 645) emittierten und von dem ersten Spiegel (605) transmittierten Laserstrahls, zum Transmittieren eines Teils des auf die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einfallenden Lichts zur zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620), zum Reflektieren eines Teils des auf die zweite Oberfläche (625) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) einfallenden Lichts und zum Absorbieren des reflektierten Teils des Lichts, um Geisterbilder am pixelierten Detektor zu reduzieren.
Laserabbildungssystem (300, 500, 600) nach Anspruch 3, wobei der absorbierende Neutraldichtefilter (370, 620) ein absorbierendes Glassubstrat umfasst.
Laserabbildungssystem (300, 500, 600) nach Anspruch 3, wobei die erste Oberfläche (372, 630) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) mehr als etwa 99% reflektierend ist und die zweite Oberfläche (625) des absorbierenden Neutraldichtefilters (370, 620) weniger als 0,5% reflektierend ist.
Laserabbildungssystem (300, 500, 600) nach Anspruch 3, wobei der von der Laserquelle (310, 510, 645) emittierte Laserstrahl longitudinal und räumlich kohärent ist.