DE102019121939B4

DE102019121939B4 - System und Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses in einem Laserabbildungssystem

Info

Publication number: DE102019121939B4
Application number: DE102019121939.6A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Scaggs
Original assignee: Haas Laser Technologies Inc
Current assignee: Haas Laser Technologies Inc
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2039-08-15
Also published as: DE102019121939A1

Abstract

Verfahren zum Messen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:Positionieren eines Apodisationsfilters zwischen einem Pixeldetektor und einer Laserquelle, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt;Abgeben eines Laserstrahls aus der Laserquelle auf das Apodisationsfilter; undDurchlassen mindestens eines Anteils des Laserstrahls durch das Apodisationsfilter zu dem Pixeldetektor auf Grundlage des Transmissionsprofils des Apodisationsfilters.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laserabbildungssysteme sind im Stand der Technik zum Analysieren von Laserstrahlen und Beobachten eines Laserinteraktionsbereichs in der Materialverarbeitung bekannt.
Geisterbilder auf einer Bildebene in einem Laserabbildungssystem, wie z. B. bei einem Pixeldetektor einer Digitalkamera mit ladungsgekoppeltem Bauelement (Charged Coupled Device - CCD) oder komplementärem Metall-Oxid-Halbleiter (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor - CMOS), oder einem anderen digitalen Abbildungssystem werden durch Reflexionen von Licht von den optischen Medien des Abbildungssystems verursacht, wobei die optischen Medien Reflexions- und Transmissionskoeffizienten ungleich null aufweisen. Die Reflexion und Transmission von Licht ungleich null ergibt sich aus der Differenz im Brechungsindex auf jeder Seite der Grenzfläche. An der Grenzfläche wird ein Anteil des einfallenden Lichts von einem Laserstrahl an der Oberfläche der optischen Medien durchgelassen, während ein anderer Anteil des einfallenden Lichts reflektiert wird. Das reflektierte Licht breitet sich dann zurück zu einer anderen Oberfläche der optischen Medien aus, wird erneut reflektiert und breitet sich schließlich zu der Bildebene aus, was dazu führt, dass der Pixeldetektor ein Geisterbild erfasst. Das Geisterbild ist unerwünscht, da es die Fähigkeit des Pixeldetektors beeinträchtigt, den Laserstrahl genau zu messen oder ein Bild verzerren.
Während auf dem Fachgebiet bekannt ist, dass Antireflexbeschichtungen für die optischen Medien die Geisterbilder reduzieren, sind die bekannten Antireflexbeschichtungen nicht wirksam darin, die Geisterreflexionen bei Anwendungen zu reduzieren, die Pixeldetektoren nutzen, die gegenüber den Geisterbildern extrem empfindlich sind, oder wenn das Wellenlängenband breiter als etwa 25 nm bis 50 nm ist.
Überdies erfolgte das Messen von M² (zweites Moment) oder des Strahlparameterprodukts eines Laserstrahls traditionell durch Abtasten der ersten drei Rayleighlängen des fokussierten Strahls unter Verwendung einer Pixelkamera, wobei die Kamera das Raumprofil des fokussierten Strahls in Intervallen entlang der Abtastung erfasst, um den Strahldurchmesser des zweiten Moments gemäß den Anforderungen von ISO 11146-1:2005 zu messen. Die ISO 11146-1:2005 gibt Verfahren zum Messen von Strahlabmessungen (Durchmesser), Divergenzwinkeln und Beugungsmaßzahlen von Laserstrahlen an und gilt für allgemeine astigmatische Strahlen oder unbekannte Arten von Strahlen. Gemäß ISO 11146-2:2005 erfolgt die Beschreibung von Laserstrahlen anhand von Momenten zweiter Ordnung der Wignerverteilung.
Die Anforderung gemäß ISO 11146-2:2005 legt mindestens fünf räumliche Zeitscheiben innerhalb der ersten Rayleighlänge und mindestens fünf räumliche Zeitscheiben jenseits der zweiten Rayleighlänge fest. Die Intensität des fokussierten Strahls in der dritten Rayleighlänge fällt jedoch um mehr als einen Faktor von zehn im Vergleich zur Intensität des fokussierten Strahls in der ersten Rayleighlänge ab. Das Signal-Rausch-Verhältnis von derzeit auf dem Fachgebiet bekannten Laserstrahlmesssensoren ist nicht empfindlich genug, um diese um einen Faktor von zehn größere Intensitätsänderung in der dritten Rayleighlänge aufzunehmen. Daher sind die Messungen des Strahls in der dritten Rayleighlänge, die mit den bekannten Messsystemen vorgenommen werden, zu nahe an dem Rauschpegel des Sensors, wodurch es dem Sensor unmöglich wird, den Laserstrahl genau zu messen.
Im Stand der Technik sind Systeme bekannt, die versuchen, das Problem mit dem Signal-Rausch-Verhältnis zu beheben, während sie außerdem die ISO-Anforderung erfüllen, dass mindestens fünf räumliche Zeitscheiben jenseits der zweiten Rayleighlänge vorhanden sind. Ein bekanntes System löst das Problem mit dem Signal-Rausch-Verhältnis durch Teilen des Laserstrahls und dann Dämpfen eines der Strahlen, sodass die räumlichen Zeitschlitze der ersten und dritten Rayleighlänge die gleiche Größenordnung aufweisen. Dieses Verfahren ist zwar wirksam, jedoch sind die Kosten des Systems und die erforderliche optomechanische Komplexität signifikant erhöht. Ein anderes bekanntes System nutzt zwei gesonderte Kameras, wobei eine Kamera zum Messen der ersten Rayleighlänge verwendet wird und eine zweite Kamera zum Messen der Punkte in der dritten Rayleighlänge verwendet wird. Zwar ist dies ein annehmbares und weit verbreitetes Verfahren, jedoch sind die Kosten nahezu doppelt so hoch wie die eines Systems mit einer einzelnen Kamera und beträgt die Größe des Gesamtsystems mehr als das Doppelte, was dies zu einer unerwünschten Lösung macht.
Aus der US 4 030 817 A ist ein Apodisationsfilter bekannt. Die Lösung wird als nicht zufriedenstellend empfunden.
Des Weiteren ist aus der US 5 111 343 A ein Gradientenfilter bekannt. Die Lösung wird als nicht zufriedenstellend empfunden.
Auch ist aus der US 2013 /0 329 303 A1 ein optisches Modul bekannt, das einen Apodisationsfilter umfasst. Die Lösung wird als nicht zufriedenstellend empfunden.
Demnach besteht im Stand der Technik ein Bedarf nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Messen eines Laserstrahls, welche die ISO-Anforderungen jenseits der zweiten Rayleighlänge erfüllen, durch die sich die Größe des Instruments jedoch nicht erhöht und die Kosten des Instruments nicht signifikant ansteigen.
Angesichts des Stands der Technik, der zu dem Zeitpunkt, zu dem die vorliegende Erfindung gemacht wurde, im Ganzen betrachtet wurde, war es für den Durchschnittsfachmann nicht offensichtlich, wie die Einschränkungen im Stand der Technik überwunden werden könnten.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern von Messungen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem bereit. In verschiedenen Ausführungsformen ist ein Apodisationsfilter mit einem Transmissionsprofil, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt, zwischen einem Pixeldetektor und einer Laserquelle positioniert. Ein Laserstrahl aus der Laserquelle wird auf das Apodisationsfilter abgegeben und ein Teil des Lasers, der auf das Apodisationsfilter auftrifft, wird zu dem Pixeldetektor gemäß dem Transmissionsprofil des Apodisationsfilter derart durchgelassen, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des Teils des Lasers, der auf den Pixeldetektor auftrifft, verbessert wird. Das Apodisationsfilter kann aus einem linearen Apodisationsfilter, einem radialen Apodisationsfilter und einem prismatischen Apodisationsfilter ausgewählt sein.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem bereit, das Folgendes beinhaltet:

Positionieren eines Apodisationsfilters zwischen einem Pixeldetektor und einer Laserquelle, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt, Abgeben eines Laserstrahls aus der Laserquelle auf das Apodisationsfilter und Durchlassen von mindestens einem Teil des Laserstrahls durch das Apodisationsfilter zu dem Pixeldetektor auf Grundlage des Transmissionsprofils des Apodisationsfilters.

Erfindungsgemäß beträgt das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Apodisationsfilter um ein lineares Apodisationsfilter, das ein Absorptionsglassubstrat und eine auf das Substrat abgeschiedene Metallbeschichtung umfasst, wobei das Muster der Metallbeschichtung das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters festlegt, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt.
In einer anderen Ausführungsform handelt es sich bei dem Apodisationsfilter um ein radiales Apodisationsfilter, das eine zylindrische Plankonkavlinse und eine zylindrische Plankonvexlinse umfasst, die aus einem Absorptionsglas gefertigt ist und mit der zylindrischen Plankonkavlinse optisch verbunden ist. In dieser Ausführungsform weisen die zylindrische Plankonkavlinse und die zylindrische Plankonvexlinse im Wesentlichen den gleichen Krümmungsradius auf, sind der Brechungsindex der zylindrischen Plankonvexlinse und der Brechungsindex der zylindrischen Plankonkavlinse im Wesentlichen gleich und legt der Krümmungsradius das Transmissionsprofil des radialen Apodisationsfilters fest.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Apodisationsfilter um ein prismatisches Apodisationsfilter, das ein erstes Dreiecksprisma, das aus einem Absorptionsglas gefertigt ist, ein zweites Dreiecksprisma, das aus einem im Wesentlichen transparenten Glas gefertigt ist, und ein drittes Dreiecksprisma, das aus einem im Wesentlichen transparenten Glas gefertigt ist, umfasst. In dieser Ausführungsform ist eine Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas optisch mit einer ersten Seitenfläche des ersten Dreiecksprismas verbunden und ist eine Seitenfläche des zweiten Dreiecksprisma optisch mit einer zweiten Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas verbunden und wobei Abmessungen des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas im Wesentlichen gleich sind und Abmessungen des ersten Dreiecksprismas ungefähr doppelt so groß wie die des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas sind. Der Brechungsindex der drei Prismen, aus denen das Apodisationsfilter besteht, ist im Wesentlichen gleich und die geometrische Konfiguration und Zusammensetzung der Dreiecksprismen legen das Transmissionsprofil des prismatischen Apodisationsfilters fest.
Die Konfigurationen und Zusammensetzung der Apodisationsfilter der vorliegenden Erfindung können zudem bewirken, dass Geisterreflexionen am Pixeldetektor reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt zusätzlich eine Vorrichtung zum Messen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem bereit, die eine Laserquelle zum Abgeben eines Laserstrahls, einen Pixeldetektor zum Analysieren des von der Laserquelle abgegebenen Laserstrahls und ein Apodisationsfilter, das zwischen dem Pixeldetektor und der Laserquelle positioniert ist, beinhaltet, wobei das Apodisationsfilter ein Transmissionsprofil aufweist, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt. In dieser Ausführungsform kann es sich bei dem Apodisationsfilter um ein lineares Apodisationsfilter, ein radiales Apodisationsfilter oder ein prismatisches Apodisationsfilter handeln.
Diese und andere wichtige Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Verlauf dieser Beschreibung deutlicher.
Die Erfindung umfasst demnach die Konstruktionsmerkmale, Kombination von Elementen und Anordnung von Teilen, die in der nachfolgend dargelegten Beschreibung veranschaulicht sind, und der Umfang der Erfindung ist in den Ansprüchen angegeben.
Figurenliste
Für ein umfassenderes Verständnis des Wesens und der Aufgaben der Erfindung ist auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug zu nehmen, in denen:

1 eine Darstellung ist, die ein Laserabbildungssystem mit einem Schutzglasfenster und damit verbundenem Geisterbild an einem Pixeldetektor veranschaulicht, wie im Stand der Technik bekannt ist.
2 eine Veranschaulichung der entstehenden Interferenzstreifen von Geisterbildern ist, die durch Fresnel-Reflexionen mit kohärentem Laserlicht auf einem Pixeldetektor entstehen, wie im Stand der Technik bekannt ist.
3 ein Laserabbildungssystem, das ein absorbierendes Neutraldichtefilter enthält, das optisch mit dem Schutzglasfenster verbunden ist, um Geisterbilder zu reduzieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 den gemilderten Saumeffekt veranschaulicht, der unter Verwendung des verbesserten Laserabbildungssystems aus 3 umgesetzt wird.
5 ein Laserabbildungssystem, das ein absorbierendes Neutraldichtefilter enthält, das optisch mit einem Laserumlenkspiegel verbunden ist, um Geisterbilder zu reduzieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
6 ein Laserabbildungssystem, das ein absorbierendes Neutraldichtefilter zu einem Fabry-Perot-Hohlraum enthält, um Geisterbilder zu reduzieren, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
7 die an einem Detektor zu sehenden Geisterbilder veranschaulicht, wie im Stand der Technik bekannt ist.
8 eine vergrößerte Ansicht von 7 ist.
9 eine zweite Oberflächenreflexion an einem optischen Element veranschaulicht, die Geisterbilder eines durchgelassenen Laserstrahls an einem Detektor erzeugt, wie im Stand der Technik bekannt ist.
10 die Geisterbilder veranschaulicht, die aus den Reflexionen an dem optischen Element aus 9 entstehen.
11 eine vergrößerte Ansicht von 10 ist.
12 die reduzierten Geisterbilder, die zu beobachten sind, wenn das absorbierende Neutraldichtefilter in dem Laserabbildungssystem enthalten ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 eine vergrößerte Ansicht von 12 ist.
14 die Reduzierung des Geisterbilds, die durch das in 6 dargestellte Laserabbildungssystem entsteht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
15 eine Draufsicht einer Beschichtung eines linearen Apodisationsfilters, die auf ein Absorptionsglasfiltersubstrat abgeschieden ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
16 eine Seitenansicht der auf ein Absorptionsglasfiltersubstrat abgeschiedenen Beschichtung des linearen Apodisationsfilter in 15 veranschaulicht.
17 ein radiales Apodisationsfilter, das eine zylindrische Plankonkavlinse umfasst, die optisch mit einer zylindrischen Plankonvexlinse gleicher Krümmung verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
18 ein prismatisches Apodisationsfilter, das ein Prisma, das aus einem Absorptionsfilterglas hergestellt ist, und zwei andere Prismen, die aus normalem transparentem Glas hergestellt sind, umfasst, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
19 ein Laserstrahlanalysesystem, das ein prismatisches Apodisationsfilter enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
20 ein Laserstrahlanalysesystem, das ein lineares Apodisationsfilter enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
21 ein Laserstrahlanalysesystem, das ein radiales Apodisationsfilter enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
22 ein Diagramm zu einer Strahlkaustik einer räumlichen Zeitscheibe durch +/- 4 Rayleighlängen von einem Laserstrahlanalysesystem, das ein lineares Apodisationsfilter enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
23 ein Framegrabber-Bildschirm ist, der das Signal-Rausch-Verhältnis von der ersten bis zur vierten Rayleighlänge, die vergleichbare Signal-Rausch-Verhältnisse bei Verwendung eines Laserstrahlanalysesystems aufweisen, das ein lineares Apodisationsfilter enthält, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem bereit. In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ferner ein System und Verfahren zum Erhöhen der Strahlintensität in einem Laserabbildungssystem bereit, um die Fähigkeit des Laserabbildungssystems zum Messen des Laserstrahls zu verbessern.
In einem Ausführungsbeispiel zum Reduzieren von Geisterbildern in einem Laserabbildungssystem beinhaltet das Verfahren Positionieren eines absorbierenden Neutraldichtefilters, das eine optische Dichte (OD) von mindestens -1 aufweist, zwischen einem Pixeldetektor und einer Laserquelle. Das Verfahren beinhaltet ferner Abgeben eines Laserstrahls aus der Laserquelle auf das absorbierende Neutraldichtefilter, Durchlassen eines Anteils des Lichts, das auf eine erste Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters auftrifft, zu einer zweiten Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters, Reflektieren eines Anteils des Lichts, das auf die zweite Oberfläche des absorbierenden Neutraldichtefilters auftrifft, und Absorbieren des reflektierten Lichtanteils durch das absorbierende Neutraldichtefilter, um Geisterbilder an dem Pixeldetektor zu reduzieren.
Fresnel-Reflexionen in der Optik sind eine anteilige Reflexion von einfallendem Licht an einer einzelnen Grenzfläche zwischen zwei optischen Medien, wobei die beiden optischen Medien unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, wie z. B. Luft und Glas. Eine gewöhnliche Fresnel-Reflexion bei einem vorwiegend normalen Einfallswinkel (< 10 Grad), die an einer Luft-Glas-Grenzfläche auftritt, führt zu einem anteiligen Reflexionsverlust von etwa 4 % aufgrund der Differenz zwischen dem Brechungsindex von Luft und dem Brechungsindex von Glas. Dieser Reflexionsverlust kann durch Einschichten optischer Medien zwischen der Glas- und Luftgrenzfläche verringert werden, um die Differenz im Brechungsindex zwischen den Zwischenschichten stufenweise zu verringern, wodurch der Reflexionsverlust auf Werte weit unter 0,5 %, jedoch im Allgemeinen nicht unter 0,1 %, außer bei hochwertigen Einzelbeschichtungen vom „V“-Typ, verringert wird. Fresnel-Reflexionen beruhen 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, das einen Brechungsindex von n₁ aufweist, und dem zweiten optischen Medium, das einen Brechungsindex von n₂ aufweist, ist. In einem Ausführungsbeispiel liegt, falls es sich bei dem ersten optischen Medium um Luft handelt, die einen Brechungsindex gleich 1,00029 (n₁) aufweist, und es sich bei dem zweiten optischen Medium um Glas handelt, das einen Brechungsindex gleich 1,5 (n₂) aufweist, der Lichtanteil, der von der Luft-Glas-Grenzfläche reflektiert wird, dann bei etwa 4 %. Da begrenzte Glasmaterialien verfügbar sind, um die Fresnel-Reflexion zu mindern, ergibt sich daraus, dass Reflexionsverluste zwischen einer Luft- und Glasgrenzfläche nahe null nicht erreicht werden können.
Die durchgelassene Leistung bei einem vorwiegend normal einfallenden Laserstrahl zwischen zwei optischen Medien würde bestimmt werden durch: $T = \frac{4 n_{1} n_{2}}{{[n_{1} + n_{2}]}^{2}}$
Mit zunehmenden Einfallswinkel beginnt sich der Einfluss der Polarisierung auf die Menge an reflektiertem und durchgelassenem Licht nach den folgenden Gleichungen auszuwirken: $t_{s} = \frac{2 n_{1} cos θ_{1}}{n_{1} cos θ_{1} + n_{2} cos θ_{2}}$
$r_{s} = \frac{n_{1} cos θ_{1} - n_{2} cos θ_{2}}{n_{1} cos θ_{1} + n_{2} cos θ_{2}}$
$t_{p} = \frac{2 n_{1} cos θ_{1}}{n_{1} cos θ_{2} + n_{2} cos θ_{1}}$
$r_{p} = \frac{n_{1} cos θ_{2} - n_{2} cos θ_{1}}{n_{1} cos θ_{2} + n_{2} cos θ_{1}}$
Wobei t_s und r_s die Werte für durchgelassenes und reflektiertes Licht bei der „S“polarisierten Komponente sind und t_p und r_p die Werte für durchgelassenes und reflektiertes Licht bei der „P“-polarisierten Komponente sind.
Um Reflexionsverluste an Luft-Glas-Grenzflächen zu verringern, wird gemeinhin eine Antireflexbeschichtung verwendet, um Sekundärreflexionen oder „Geister“-Reflexionen zu verhindern, welche die Betrachtung eines interessierenden Objekts mit dem menschlichen Auge oder einer Kamera behindern können. Während Antireflexbeschichtungen zum Reduzieren von Geisterreflexionen bei diesen Szenarien wirksam sind, liegen viele Abbildungssysteme vor, die viel empfindlicher gegenüber Geisterreflexionen sind als das menschliche Auge, wie z. B. Digitalkameras und digitale Abbildungssysteme mit ladungsgekoppeltem Bauelement (CCD), komplementärem Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS), InGaAs (Indiumgalliumarsenid) für das SWIR-Lichtband, InSb (Indiumantionid) für das MWIR-Lichtband und Mikrobolometer für das LWIR-Lichtband. Digitale CCD- und CMOS-Abbildungssysteme beinhalten für gewöhnlich einen Pixeldetektor, der ein Array aus lichtempfindlichen Pixeln umfasst, um eintreffende Photonen in elektronische Ladungen an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche des Detektors umzuwandeln. Fresnel-Reflexionen, die bei diesen hochempfindlichen Abbildungssystemen auftreten, können ein Bild verschleiern oder eine Messung negativ beeinflussen, die von dem Abbildungssystem durchgeführt wird, in dem sie eingesetzt werden.
Überdies werden Abbildungssysteme, die Pixeldetektoren nutzen, gemeinhin aus Halbleitermaterialien unter Verwendung von auf Lithographie basierender Schaltungsherstellung gefertigt. Die aus diesem Herstellungsprozess hervorgehenden Schaltungen sind extrem anfällig und können leicht beschädigt werden. Solche auf Pixeldetektoren basierenden Abbildungssysteme beinhalten typischerweise ein Schutzglasfenster, um die empfindlichen Schaltungen vor Schäden zu schützen. Durch die Verwendung eines Schutzglasfensters entsteht jedoch eine Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster und dem Detektor. Wie bereits erörtert, hat die Luft-Glas-Grenzfläche, die in dem Abbildungssystem durch das Schutzglasfenster entsteht, unerwünschte Fresnel-Reflexionen zur Folge, die hier als Geisterreflexionen bezeichnet werden.
In einigen Abbildungssystemen kann es sich bei dem Schutzglasfenster, das verwendet wird, um die anfälligen Schaltungen zu schützen, um ein unbeschichtetes Glassubstrat im sichtbaren Teil des optischen Spektrums handeln. Bei anderen Abbildungssystemen, wie z. B. Detektoren für kurzwelliges Infrarot (SWIR), mittelwelliges Infrarot (MWIR) und langwelliges Infrarot (LWIR), kann ein Schutzglasfenster verwendet werden, das für das interessierende Wellenlängenband geeignet ist. Im Fall von CCD- und CMOS-Sensoren, bei denen das Wellenlängenband von Ultraviolett (UV) zum nahen Infrarot (NIR) (von 190 nm bis über 1100 nm) reichen kann, kann ein Schutzglasfenster aus Quarzglas in UV-Qualität in dem Abbildungssystem eingesetzt werden. In Anbetracht des sehr breiten Spektrums an Wellenlängen, die bei CCD- und CMOS-basierten Abbildungssystemen möglich sind, ist es äußerst schwierig, eine Grenzflächenbeschichtung auf das Schutzglasfenster anzuwenden, die bewirken würde, die Fresnel-Reflexionen über diesen breiten Wellenlängenbereich zu reduzieren. Daher fehlt bei den meisten Sensoren, die in diesem Band verwendet werden, das Schutzfenster, um die Fresnel-Reflexionsverluste und damit verbundenen Geisterreflexionen zu vermeiden, welche die Messfähigkeit von Sensoren beeinträchtigen können.
In Bezug auf 1 kann ein Abbildungssystem 100 aus dem Stand der Technik eine Laserquelle 110, ein Schutzglasfenster 120 und einen Pixeldetektor 125 beinhalten. Im Stand der Technik ist das Schutzglasfenster 120 zwischen der Laserquelle 110 und dem Sensormaterial des Pixeldetektors 125 positioniert, um die Messschaltung des Pixeldetektors 125 zu schützen.
Beim Betrieb des Abbildungssystems 100 aus dem Stand der Technik durchläuft ein von der Laserquelle 110 abgegebener Laserstrahl 115 die Luft und trifft auf die erste Oberfläche 170 des Schutzglasfensters 120 auf. Eine erste Fresnel-Reflexion findet an dieser Luft-Glas-Grenzfläche statt, wobei ein erster durchgelassener Lichtanteil 130 des Laserstrahls durch das Schutzglasfenster 120 durchgelassen wird und ein erster reflektierter Lichtanteil 140 reflektiert wird. Der durchgelassene Anteil 130 trifft dann auf die zweite Oberfläche 175 des Schutzglasfensters 120 auf und es findet eine zweite Fresnel-Reflexion an dieser Glas-Luft-Grenzfläche statt, wobei ein zweiter durchgelassener Lichtanteil 135 durch die Luft durchgelassen wird, auf den Pixeldetektor 125 trifft und ein zweiter reflektierter Lichtanteil 145 reflektiert wird. Dieser zweite reflektierte Lichtanteil 145 trifft erneut auf die erste Oberfläche 170, was einen dritten durchgelassenen Lichtanteil 150, der in die Luft eintritt, und einen dritten reflektierten Lichtanteil 152, der zurück durch das Schutzglasfenster 120 durchgelassen wird, ergibt. Dieser dritte reflektierte Lichtanteil 152 erfährt eine weitere Fresnel-Reflexion an der Luftgrenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 120 und dem Pixeldetektor 125, was einen vierten durchgelassenen Lichtanteil 155, der auf den Pixeldetektor 125 trifft, und einen vierten reflektierten Lichtanteil 160, der durch das Schutzglasfenster 120 reflektiert wird, ergibt. Der vierte durchgelassene Lichtanteil 155, der auf den Pixeldetektor 125 trifft, ergibt ein Geisterbild an dem Pixeldetektor 125. Im Allgemeinen führt jede Grenzfläche von optischen Medien, wie in 1 veranschaulicht, dazu, dass Durchgänge des einfallenden Laserstrahls 115 zur Folge haben, dass ein Anteil des einfallenden Lichts reflektiert wird, wodurch ein Geisterbild des einfallenden Strahls auf dem Pixeldetektor erzeugt wird. Das Geisterbild des einfallenden Laserstrahls 115 ist unerwünscht, da ein typischer Laserstrahl sowohl longitudinal als auch räumlich stark kohärent sein kann und die Fresnel-Reflexion und das damit verbundene Geisterbild destruktive und konstruktive Interferenzstreifen verursachen. Die sich ergebende räumliche Modulation an dem Strahl wäre Rauschen, welches das tatsächliche Raumprofil des Laserstrahls verschleiern würde.
2 veranschaulicht eine Graustufen-3D-Intensität eines sich aus einem kohärenten Laserstrahl mit einem Nennstrahldurchmesser von 1 mm und einer Wellenlänge von 532 nm ergebenden Geisterbilds, die durch einen Pixeldetektor (2048 x 1088 Pixel) mit einem Schutzglasfenster erkannt wird. Wie zu erkennen ist, ist, während das reflektierte Licht des Laserstrahls nur etwa 4 % des abgegebenen Laserstrahls entspricht, die konstruktive und destruktive Interferenz, die sich aus dem Geisterbild ergibt, recht ausgeprägt und würde die Fähigkeit des Pixeldetektors zur Durchführung genauer Laserstrahlmessungen stark beeinträchtigen.
In verschiedenen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Mindern von Geisterreflexionen aufgrund von Fresnel-Reflexionsverlusten bei Abbildungssystemen bereit, die Pixeldetektoren wie beispielsweise u. a. CCD-, CMOS-, InGaAs-, InSb- und Mikrobolometersensoren nutzen.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein verbessertes Schutzfenster für einen Pixeldetektor eines Abbildungssystems bereit, das die nachteiligen Auswirkungen von Fresnel-Reflexionen und Geisterreflexionen nicht entstehen lässt. Das verbesserte Schutzfenster stellt Schutz für die empfindlichen Schaltungen des Laserabbildungssystems bereit, ohne Geisterreflexionen in die Messung des Lasers einzubringen.
In Bezug auf 3 kann ein Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung 300 in einer Ausführungsform eine Laserquelle 310, ein Schutzglasfenster 320, einen Pixeldetektor 325 und ein absorbierendes Neutraldichtefilter 370, das optisch mit dem Schutzglasfenster 320 verbunden ist, beinhalten.
Die Laserquelle 310 kann eine von zahlreichen Laserquellen sein, die im Stand der Technik bekannt sind. Handelsübliche Laser mit Leistungen von Nanowatt bis Multikilowatt liegen im Umfang der vorliegenden Erfindung. In einer besonderen Ausführungsform ist die Laserquelle 310 dazu imstande, einen Laserstrahl abzugeben, 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 dazu kann das Schutzglasfenster ein beschichtetes Glasfenster sein, das für das mit der Laserquelle 310 zusammenhängende Wellenlängenband geeignet ist. Die Oberfläche des Schutzglasfensters, die dem Pixeldetektor 325 zugewandt ist, beinhaltet eine Antireflexbeschichtung 322. Das Schutzglasfenster 320 ist allgemein derart positioniert, dass die anfällige Schaltungen des Pixeldetektors 325 vor physischen Schäden geschützt wird.
Der Pixeldetektor 325 kann einer von vielen im Stand der Technik bekannten Pixeldetektoren sein, einschließlich u. a. eines ladungsgekoppelten Bauelements (CCD) und komplementären Metall-Oxid-Halbleiters (CMOS) oder eines anderen Pixeldetektors. Der Pixeldetektor 325 ist dazu ausgelegt, den von der Laserquelle 310 abgegebenen Laserstrahl zu analysieren. Die Analyse kann verschiedene Messungen beinhalten, wie beispielsweise u. a. das Raumprofil, den geometrischen Schwerpunkt und die Elliptizität des Laserstrahls.
Das absorbierende Neutraldichtefilter 370 der vorliegenden Erfindung dämpft einfallende Strahlung gleichmäßig unabhängig von der Wellenlänge, d. h. neutral in Bezug auf die Wellenlänge. Das absorbierende Neutraldichtefilter 370 ist durch den Anteil einfallenden Lichts, der durchgelassen wird, oder durch seine optische Dichte (OD) gekennzeichnet. Wenn 10 % des Lichts durchgelassen werden (T=0,1), wird angegeben, dass das Filter eine OD gleich -1 aufweist. Bei T=0,01 wird angegeben, dass das Filter eine OD gleich -2 aufweist, und bei T=0,001 wird angegeben, dass das Filter eine OD gleich-3 aufweist. Im Allgemeinen 0D = -log10(T).
Das absorbierende Neutraldichtefilter 370 kann aus verschiedenen im Stand der Technik bekannten Absorptionsglassubstraten gefertigt sein. Beispielsweise kann das absorbierende Neutraldichtefilter 370 aus einer Vielfalt an Schott®-Glas mit NG-Einstufung oder Hoya®-Glas mit ND-Einstufung oder einem beliebigen anderen Glas mit einer nahezu konstanten Dämpfung innerhalb des sichtbaren Spektrums gefertigt sein. Für den Fachmann läge auf der Hand, dass ein beliebiges „Absorptions“-Glas mit einer OD ∼-1,0 innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet das absorbierende Neutraldichtefilter 370 eine erste Oberfläche 372, die der Laserquelle 310 zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche 374, die der Pixeldetektor 325 zugewandt ist. Überdies befindet sich die zweite Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 in optischem Kontakt mit dem Schutzglasfenster 320. In dieser Ausführungsform befindet sich eine erste Oberfläche des Schutzglasfensters 320 in optischem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 und beinhaltet eine zweite Oberfläche des Schutzglasfensters 320 eine Antireflexbeschichtung 322. Das Schutzglasfenster 320 ist in großer Nähe zu dem Pixeldetektor 325 positioniert. In einer besonderen Ausführungsform ist das Schutzglasfenster 320 derart positioniert, dass es weniger als etwa 5 mm von dem Pixeldetektor 325 positioniert ist.
In einer Ausführungsform wird das Schutzglasfenster 320 in optischem Kontakt mit der zweiten Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 durch Verbinden einer Oberfläche des Schutzglasfensters 320 mit der zweiten Oberfläche 374 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 unter Verwendung von optischem Kleber oder Klebstoff mit einem Brechungsindex, der dem Brechungsindex des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 und des Schutzglasfensters 320 im Wesentlichen entspricht, positioniert. Es kann eine breite Vielfalt an Klebstoffen 375 zum optischen Verbinden verwendet werden, einschließlich allgemein bekannter optischer Klebstoffe von Norland Products®, Silikon, optischen Epoxidharzes und Polyurethan. Eines der Ziele des optischen Verbindens besteht darin, den Luftspalt zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und den Schutzglasfenstern 320 unter Verwendung des Klebstoffs 375 optischer Qualität zu entfernen. Im Allgemeinen sollt die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Verbindungsmaterials und dem Brechungsindex von sowohl dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 als auch dem Schutzglasfenster 320 weniger als etwa 20 % betragen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der optische Kontakt zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und dem Schutzglasfenster 320 durch Atombindung erfolgen. Bei Atombindung handelt es sich um einen kleberfreien Prozess, durch den zwei stark konforme Oberflächen allein durch intermolekulare Kräfte zusammengehalten werden. Um eine Atombindung zu erreichen, müssten das absorbierende Neutraldichtefilter 370 und das Schutzglasfenster 320 sehr gut poliert und minimalen Temperaturwechseln unterzogen werden.
In einem Ausführungsbeispiel aus 3 kann das 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 werden. Das Schutzglasfenster 320 kann eine 1 mm dicke Schutzglasabdeckung eines Pixeldetektors 325 mit einem Brechungsindex von etwa 1,52 bei einer Laserstrahlwellenlänge von etwa 532 nm sein. Das absorbierende Neutraldichtefilter 370 kann optisch an dem Schutzglasfenster 320 mit einem Klebstoff passenden Indexes angebracht sein, der einen Nennbrechungsindex gleich etwa 1,56 aufweist, wie z. B. NOA 61 von Norland Products®.
Beim Betrieb des Laserabbildungssystems 300 aus 3 trifft ein Laserstrahl 315 von der Laserquelle 310 auf die erste Oberfläche 372 des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 auf. Wenn angenommen wird, dass das absorbierende Neutraldichtefilter eine OD gleich etwa -1 im sichtbaren Band aufweist, dämpft das absorbierende Neutraldichtefilter 370 das Licht von dem Laserstrahl 315 um etwa 90 %. Ein Anteil des Lichts 340 aus dem Laserstrahl 315 geht zudem aufgrund einer Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen der Laserquelle 310 und dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 verloren. Daher werden etwa 10 % des Lichts 380 durch das absorbierende Neutraldichtefilter 370 und das Schutzglasfenster 320 durchgelassen. Das durchgelassene Licht 380 tritt aus dem Schutzglasfenster 320 aus und erfährt eine Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem Pixeldetektor 325. Die Grenzfläche zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 und der optischen Verbindung 375 hat eine geringe Reflexion von Licht 390 zur Folge. Dieses reflektierte Lichte 390 weist einen geringen Wert auf und wird aufgrund der geringen Reflexion unbedeutend, und die Rückreflexion 390 wird im Wesentlichen vollständig durch das Neutraldichtefilter 370 jenseits der Nachweisgrenzen des Pixeldetektors 325 absorbiert. Das durch die Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem Pixeldetektor 325 reflektierte Licht 395 wird durch das Schutzglasfenster 320 und das absorbierende Neutraldichtefilter 370 zurückreflektiert. Das reflektierte Licht 395 wird dann durch das absorbierende Neutraldichtefilter 370 absorbiert und sein Einfluss auf die Interferenz wird auf jenseits einer Erkennung durch den Pixeldetektor gemindert. Überdies überwindet die Antireflexbeschichtung auf der zweiten Oberfläche des Schutzglasfensters 320 die destruktive und konstruktive Interferenz, die aufgrund der Fresnel-Reflexionen an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem Pixeldetektor 325 auftritt. Während dieses reflektierte Licht 390 im Stand der Technik ein Geisterbild am Pixeldetektor 325 ergeben würde, bewirkt das absorbierende Neutraldichtefilter 370 in der vorliegenden Erfindung eine Absorption des reflektierten Lichts 390 aus der Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem Pixeldetektor 325, wodurch das Vorhandensein des Geisterbilds an dem Pixeldetektor 325 reduziert wird.
Während nur etwa 10 % des Lichts aus dem Laserstrahl 315, abzüglich ungefähr 4 % Fresnel-Reflexion, als Licht 335 zu dem Pixeldetektor 325 durchgelassen werden, müssen die meisten Laserstrahlen, die in Laserabbildungssystemen verwendet werden, stark gedämpft werden, bevor sie den Sensor des Pixeldetektors 325 beleuchten können. Aufgrund der erheblichen Anzahl von Photonen, die aus dem Laserstrahl 315 verfügbar ist, und des breiten Dynamikumfangs des Sensors des Pixeldetektors 325 ist das verlorene Licht für den Betrieb des Laserabbildungssystems 300 unbedeutend.
In der vorliegenden Erfindung wird es, während die Geisterreflexion 390 immer noch vorhanden ist, infolge der Fresnel-Reflexion an der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem Schutzglasfenster 320 und dem Pixeldetektor 325 durch das Schutzglasfenster 320 und das absorbierende Neutraldichtefilter 370 zurückreflektiert, wodurch das reflektierte Licht um einen weiteren Faktor 10 gedämpft wird. Daher beträgt die Fresnel-Geisterreflexion mindestens 1/100 des Lichts 335, das auf den Pixeldetektor 325 auftritt, was viel besser als bei im Stand der Technik bekannten Antireflexbeschichtungen ist.
Überdies wäre es für den Fachmann naheliegend, dass sich durch die Verwendung eines sogar noch stärker absorbierenden Glases in dem absorbierenden Neutraldichtefilter 370 die Fresnel-Reflexionen und das damit verbundene Geisterbild des Laserabbildungssystems 300 weiter reduzieren würden. Im Allgemeinen liegt ein beliebiges Absorptionsglas, das eine OD ≤ -1 für die verwendete Wellenlänge bereitstellt, im Umfang der vorliegenden Erfindung.
4 veranschaulicht die Ergebnisse, wenn das Laserabbildungssystem 300 ein absorbierendes Neutraldichtefilter 370 beinhaltet, wie in 3 dargestellt. In 4 ist zu erkennen, dass es keine Anzeichen für Streifenbildung aufgrund von optischer Interferenz gibt.
Demnach weist die in 3 veranschaulichte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Vorteil auf, dass das Geisterbild auf Werte gemindert wird, die von dem Pixeldetektor nicht erkannt werden können. Das absorbierende Neutraldichtefilter stellt zudem eine zusätzliche optische Dämpfung von OD ≤ -1 bereit, die es dem Pixeldetektor ermöglicht, eine um einen Faktor von mindestens 10 erhöhte Laserleistung im Gegensatz zu dem derzeitigen Stand der Technik, bei dem es sich um einen fensterlosen Pixeldetektor handelt, zu handhaben.
In einer weiteren Ausführungsform kann, anstatt das absorbierende Neutraldichtefilter 370 optisch mit dem Schutzglasfenster 320 zu verbinden, das Schutzfenster des Pixeldetektors vollständig durch das absorbierende Neutraldichtefilter 370 ersetzt werden. Das absorbierende Neutraldichtefilter 370 kann anstelle des Schutzglasfensters 320 während des Herstellungsprozesses des Pixeldetektors eingebaut werden, wodurch der zusätzliche Schritt des Verbindens des absorbierenden Neutraldichtefilters 370 mit dem Schutzglasfenster 320 entfällt. In dieser Ausführungsform würde das absorbierende Neutraldichtefilter 370 in großer Nähe zu dem Pixeldetektor 325 positioniert werden. In einer besonderen Ausführungsform würde das absorbierende Neutraldichtefilter 370 weniger als etwa 5 mm von dem Pixeldetektor 525 positioniert werden.
In Bezug auf 5 können in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Geisterbilder zusätzlich ein einem Laserabbildungssystem 500, wie z. B. einem Laser, der zur Materialverarbeitung verwendet wird, und einem sehenden System, das ein Sehen des Laserinteraktionsbereichs ermöglicht, reduziert werden. Beim Betrieb dieser Ausführungsform wird ein Laserstrahl 515 aus einer Laserquelle 510 auf ein optisches Element 520 mit einer Spiegelfläche 522 gerichtet, die den Laser 530 reflektiert, während sie auch sichtbares Licht 535 durchlässt. Daher kann das optische Element 520 in dieser Ausführungsform als ein Laserdrehspiegel bezeichnet werden, da es den Laser 530 auf das Werkstück 580 umlenkt. Um den Laserinteraktionsbereich zu betrachten, ist ein Pixeldetektor in dem Laserabbildungssystem 500 enthalten. In einer Ausführungsform stellt ein Beleuchtungslicht 507 von einer Beleuchtungslichtquelle 505 des Pixeldetektors Beleuchtungslicht 507 zur Materialverarbeitung des Werkstücks 580 bereit, das dem Laser 530 von der Laserquelle 510 ausgesetzt wird. Zusätzliche Linsen 519, 542 können dem Laserabbildungssystem 500 zum Fokussieren des Laserlichts und des Beleuchtungslichts hinzugefügt werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann ein Benutzer eines Laserbearbeitungssystems das Werkstück 580, auf das der Laser 530 wirkt, in dem Materialverarbeitungssystem durch Beleuchten des Werkstücks mit einer Lichtquelle 507 betrachten. Für gewöhnlich handelt es sich bei dem Beleuchtungslicht 507 von der Beleuchtungslichtquelle 505 um weißes Licht oder LED-Licht. In dieser Ausführungsform erzeugt aufgrund des Drehens des Lasers 515 durch den Drehspiegel 520 das durchgelassene Licht 535 von dem optischen Element 520 keine Geisterbilder an dem Detektor 525, jedoch kann das Beleuchtungslicht 507 von der Beleuchtungslichtquelle 505 erkennbare Geisterbilder erzeugen.
In dieser Ausführungsform trifft das Beleuchtungslicht 507 auf den Drehspiegel 520, wobei ein Teil des Beleuchtungslichts 546 von der Spiegelfläche reflektiert wird und ein Teil des Beleuchtungslichts 544 durch den Drehspiegel durchgelassen wird. Typischerweise ist die zweite Oberfläche 524 eines Laserdrehspiegels 520 unbeschichtet, was aufgrund der Glas-Luft-Grenzfläche eine Fresnel-Geisterreflexion des einfallenden Beleuchtungslichts 507 zur Folge hätte. Während bekannt ist, dass eine Beschichtung der zweiten Oberfläche 524 des Laserdrehspiegels 520 mit einer Antireflexbeschichtung beim Reduzieren von Geisterbildern relativ wirksam ist, können sich die verbleibenden Geisterbilder immer noch im Erfassungsbereich des Pixeldetektors 525 befinden.
In der vorliegenden Erfindung ist ein absorbierendes Neutraldichtefilter 570 derart positioniert, dass es einen optischen Kontakt mit der Oberfläche des Laserdrehspiegels 520, der dem Pixeldetektor 525 am nächsten ist, herstellt. Wie bereits beschrieben, weist das absorbierende Neutraldichtefilter 570 eine OD ≤ -1 auf, wodurch der Bedarf für eine Antireflexbeschichtung entfällt, während auch das auf den Pixeldetektor 525 auftreffende Geisterbild stark reduziert wird.
Im Allgemeinen werden, wie in der Ausführungsform aus 5 dargestellt, durch die Hinzufügung des absorbierenden Neutraldichtefilters 570 zu dem Laserabbildungssystem 500 die für den Pixeldetektor 525 sichtbaren Geisterbilder stark reduziert, die sich aus dem Beleuchtungslicht 507 von dem Pixeldetektor ergeben, wodurch sich die Genauigkeit der von dem Pixeldetektor 525 durchgeführten Messungen verbessert.
Wie in Bezug auf 6 dargestellt, kann ein Laserabbildungssystem 600 ein Paar von optischen Elementen beinhalten, die als hochreflektierende Spiegel 605, 620 betrachtet werden. Der erste Spiegel 605 ist aus hochdurchlässigem Glas gefertigt, das für die Wellenlänge des Lasers 645 geeignet ist, wie z. B. Quarzglas (SiO₂), das eine hohe Durchlässigkeit vom ultravioletten bis zum nahen Infrarotbereich des Spektrums aufweist. Der zweite Spiegel 620 ist aus einem Absorptionsglasmaterial gefertigt, das ebenfalls für die Wellenlänge des Lasers 645 geeignet ist, wie z. B. ein Material für ein absorbierendes Neutraldichtefilter. Der erste Spiegel 605 weist eine hochreflektierende Oberfläche 615 und eine antireflexbeschichtete Oberfläche 610 auf und der zweite Spiegel 620 weist eine hochreflektierende Oberfläche 630 und eine antireflexbeschichtete Oberfläche 625 auf. Der zweite Spiegel mit einem Absorptionssubstrat, einer hochreflektierenden Oberfläche 630 und einer antireflexbeschichteten Oberfläche 625 wird in dieser Ausführungsform als ein absorbierendes Neutraldichtefilter 620 betrachtet. In einer besonderen Ausführungsform können die hochreflektierenden Oberflächen 615, 630 zwischen etwa 98 % und 99,9 % gegenüber dem Laser 645 reflektierend sein.
Der erste Spiegel 605 und das absorbierende Neutraldichtefilter 620 sind nachgelagert zu einer Fokussierlinse 635 zum Fokussieren des empfangenen Laserstrahls 645 positioniert. Der erste Spiegel 605 und das absorbierende Neutraldichtefilter 620 weisen jeweilige hochreflektierende Oberflächen 615, 630 auf, die einander zugewandt sind, wie in 6 dargestellt. Der Abstand zwischen den Spiegeln 605, 620 ist von einigen wenigen Mikrometern bis auf mehr als zehn Millimeter (10 mm) einstellbar.
In der Ausführungsform aus 6 kann das absorbierende Neutraldichtefilter 620 ferner durch ein vertikales und horizontales Einstellmittel einstellbar sein, um den ersten Spiegel 605 und das absorbierende Neutraldichtefilter 620 derart auszurichten, dass sie zueinander parallel sind, wodurch eine Fabry-Perot-Resonatoranordnung gebildet wird. Beim Betrieb wird der Laserstrahl 645 mehreren Reflexionen und damit verbundenem Teilen des Laserstrahls 645 innerhalb der Fabry-Perot-Resonatoranordnung ausgesetzt. Daher weist jeder nachfolgend durchgelassene Strahl 655, der auf den Pixeldetektor 650 auftrifft, eine um etwa weniger als 1 % geringere Intensität auf. Wenn eine gedämpfte Nennleistung von einem Watt von dem Laser 645 durch eine Linse 635 so fokussiert wird, dass sie auf den ersten Spiegel 605 auftrifft, indem sie zunächst durch die antireflexbeschichtete Oberfläche 610 hindurchtritt und dann, werden mehr als neunundneunzig Prozent (99 %) des Laserlichts von der hochreflektierenden Oberfläche 630 des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 reflektiert und können zu einem einfachen Strahlfänger (nicht dargestellt) gesendet werden. Daher ist die hochreflektierende Oberfläche 630 des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 zu mehr als 99 % reflektierend und ist die antireflexbeschichtete Oberfläche 625 des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 zu weniger als 0,5 % reflektierend. Demnach absorbiert, wie bereits beschrieben, das absorbierende Neutraldichtefilter 620 das Licht, das von der Luft-Glas-Grenzfläche zwischen dem absorbierenden Neutraldichtefilter 620 und dem Pixeldetektor 650 zurückreflektiert wird, wodurch das vom Pixeldetektor gesehene Geisterbild reduziert wird.
Im Allgemeinen ist das absorbierende Neutraldichtefilter 620 in der Ausführungsform aus 6 dahingehend wirksam, dass es die vom Pixeldetektor gesehenen Geisterbilder wesentlich reduziert. Überdies kann durch die Position des absorbierenden Neutraldichtefilters 620 in dem Laserabbildungssystem 600 die Notwendigkeit entfallen, ein absorbierendes Filter zwischen den optischen Elementen 605, 620 und dem Pixeldetektor zu positionieren, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist.
7 veranschaulicht das grundlegende Phänomen eines zweiten Oberflächengeisterbilds oder -flecks, das bzw. der an einem Pixeldetektor auftritt, wie im Stand der Technik bekannt ist. 8 ist ein vergrößertes Bild aus 7, das den durchgelassenen Strahl und die Geisterbilder, die im Stand der Technik vorhanden sind, deutlicher veranschaulicht.
9 veranschaulicht, wie das Geisterbild durch ein optisches Element 900 gebildet wird, das sowohl als reflektierendes als auch durchlässiges optisches Element 900 dient. In einer Ausführungsform kann es sich bei dem optischen Element um ein im Wesentlichen durchlässiges Glas, wie z. B. SiO₂, handeln. Beim Betrieb tritt ein Laserstrahl, der auf eine erste Oberfläche 910 des optischen Elements 900 auftritt, in das optische Element 900 ein, wird je nach den konkreten Beschichtungen auf der ersten Oberfläche 910 und der zweiten Oberfläche 915 ein Anteil des Lichts von dem Laser 905 von der ersten Oberfläche 910 reflektiert 920 und wird ein Anteil des Lichts von dem Laser 905 durch das Glas durchgelassen 925. Das durchgelassene Licht 925 trifft dann auf die zweite Oberfläche 915 auf, die allgemein antireflexbeschichtet ist, sodass typischerweise weniger als 0,5 % des Lichts in das Glas 930 zurückreflektiert werden und das übrige Licht hindurchgeht 935, um von dem Detektor analysiert zu werden. Diese weniger als 0,5 % an reflektiertem Licht 930 treffen dann erneut auf die erste Oberfläche 910 des optischen Elements 900 auf und werden dann zu der zweiten Oberfläche 910 zurückreflektiert 940, woraus ein Geisterbild 945 an dem Detektor hervorgeht. Eben dieses Geisterbild 945 stört das Messsystem am Detektor.
10 veranschaulicht eine Detektorsimulation des Geisterbilds, welche den durchgelassenen Strahl und das zweite Oberflächengeisterbild zeigt, die bei Verwendung des in 9 dargestellten optischen Elements 900 in einem Laserabbildungssystem vorkommen würden. 11 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht der beiden Strahlen aus 10, einschließlich des durchgelassenen Strahls und des unerwünschten Geisterbilds.
12 veranschaulicht eine Detektorsimulation, bei der das SiO₂-Glas des optischen Elements 900 aus 9 durch Schott®-NG11-Absorptionsfilterglas ersetzt ist, gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. 13 veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht des resultierenden durchgelassenen Strahls und des Geisterbilds aus 12. Wie in 13 zu sehen ist, bewirken die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine starke Reduzierung des Geisterbilds am Detektor. Die Simulation zeigt eine Reduzierung der Intensität des Geisterbilds um mehr als das 10-Fache. Daher würde durch die Verwendung von NG11-Glas in dem optischen Element 900 selbst bei einer ähnlichen Antireflexbeschichtung auf der zweiten Oberfläche die zweite Nettooberflächenreflexion von weniger als 0,5 % auf weniger als 0,05 % reduziert werden. Eine solche Reduzierung in der Intensität des Geisterbilds würde vom Pixeldetektor im Gegensatz zu dem durchgelassenen Strahl nicht merklich erkannt werden und würde unter das Rauschen des Pixeldetektors fallen, wodurch sich die Fähigkeit des Pixeldetektors verbessert, den Laserstrahl genau zu analysieren.
14 veranschaulicht die entstehenden Bilder, die vom Detektor in Bezug auf die Ausführungsform in 6 erkannt werden, wobei es sich bei dem optischen Element 620 um ein absorbierendes Schott®-NG11-Neutraldichtefilter handelt. Wie in 14 zu erkennen ist, wird das Geisterbild für die jeweilige Belichtungsdauer des Detektors unterdrückt. Überdies würde sich durch die Verwendung eines stärker absorbierenden Filters, wie z. B. Schott® NG1, NG4, NG5, NG9 oder anderer absorbierender Filter, die im Stand der Technik bekannt sind, dieses Verhältnis erhöhen, während gleichzeitig die Intensität des zu messenden durchgelassenen Strahls reduziert wird, ohne dass es erforderlich ist, dass ein zweites absorbierendes Filter vor dem Detektor platziert wird.
Demnach stellt die vorliegende Erfindung in dieser Ausführungsform ein verbessertes Laserabbildungssystem bereit, das eine Reduzierung von durch den Detektor des Abbildungssystems gesehenen Geisterbildern bewirkt, wodurch sich die Fähigkeit des Detektors verbessert, einen einfallenden Laser genau zu analysieren.
In einem anderen Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren bereit, die zudem das Signal-Rausch-Verhältnis des auf den Pixeldetektor auftreffenden Laserstrahls bei den Punkten geringerer Intensität in der dritten oder weiteren Rayleighlängen verbessern, wodurch sich die Fähigkeit des Systems verbessert, den Laserstrahl zu messen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erhöhen der Strahlintensität in der dritten Rayleighlänge bei einem Laserabbildungssystem beinhaltet ein lineares Apodisationsfilter. 15 veranschaulicht eine Vorderansicht eines lineares Apodisationsfilters 1100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Lineare Apodisationsfilter sind im Stand der Technik bekannt und werden gemeinhin verwendet, um unerwünschte Intensitätsschwankungen in optischen Systemen zu beseitigen. In einer besonderen Ausführungsform kann das lineare Apodisationsfilter 1100 der vorliegenden Erfindung eine Metallbeschichtung 1105 beinhalten, die auf ein absorbierendes Neutraldichtefilterglas 1110, wie z. B. einem Schott-NG4, -NG5 oder - NG11, abgeschieden ist. Es ist jedoch nicht vorgesehen, dass das Absorptionsglas 1110 auf diese beispielhaften Gläser beschränkt ist, und ein jedes Filterglas, das eine optische Dichte (OD) ≤ -1,0 bereitstellt, ist in dem linearen Apodisationsfilter 1100 der vorliegenden Erfindung wirksam. Wie bereits beschrieben, bewirkt das Absorptionsfilterglas eine Unterdrückung der zweiten Oberflächengeisterreflexion, die auf Fresnel-Reflexionen zurückzuführen ist.
Bei dem in 15 dargestellten linearen Apodisationsfilter 1100 handelt es sich bei der Beschichtung 1105 auf dem ND-Filterglas 1110 um Metall. Während andere Beschichtungen, wie z. B. eine dielektrische Filterbeschichtung, für das Apodisationsfilter 1100 verwendet werden können, lässt sich Metall leichter abscheiden und ist weniger teuer als eine dielektrische Filterbeschichtung. Die Durchlässigkeit der Apodisationsbeschichtung 1105 ist derart bemessen, dass sie sich einer Gauß-Intensitätsverteilung in einer einzelnen Achse annähert, jedoch minimal ist, sodass die Durchlässigkeit der Mitte der Beschichtung 1105 ungefähr einem Faktor von 10 entspricht, abzüglich der Durchlässigkeit an den Rändern der Beschichtung 1105. Mit dieser Differenz in der Durchlässigkeit im Verlauf der Beschichtung 1105 wird der Intensitätsabfall von der ersten Rayleighlänge zur dritten Rayleighlänge um einen Faktor von 10 berücksichtigt, wie bereits beschrieben. Im Allgemeinen beträgt das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters 1100 etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters 1100 als an den Kanten des Apodisationsfilters 1100. Wie in 15 zu erkennen ist, ist die Metallbeschichtung 1105 nahe der Mitte des Apodisationsfilters 1100 stärker konzentriert und an den Kanten des Apodisationsfilters 1100 schwächer konzentriert, woraus sich ein Transmissionsprofil ergibt, das in einer Mitte des Apodisationsfilters 1100 etwa 10-mal weniger beträgt als an den Kanten des Apodisationsfilters 1100.
16 veranschaulicht eine Seitenansicht des in 15 dargestellten Apodisationsfilters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, die Beschichtung des linearen Apodisationsfilters aus 15 und 16 nachzuahmen, um ein Transmissionsprofil bereitzustellen, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt, indem verschiedene optische Komponenten kombiniert werden, die aus verschiedenen Glasarten hergestellt sind.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zum Erhöhen der Laserstrahlintensität in der dritten Rayleighlänge ein radiales Apodisationsfilter bereitgestellt. 17 veranschaulicht ein beispielhaftes radiales Apodisationsfilter 1200, das eine zylindrische Plankonkavlinse 1205 beinhaltet, die optisch mit einer zylindrischen Plankonvexlinse 1210 verbunden ist. In dieser Ausführungsform weisen die Plankonkavlinse 1205 und die Plankonvexlinse 1210 einen gleichen Krümmungsradius auf, verfügen über einen übereinstimmenden Brechungsindex und sind optisch durch einen Klebstoff passenden Indexes miteinander verbunden. Der Brechungsindex der zylindrischen Plankonkavlinse 1205 und der zylindrischen Plankonvexlinse 1210 sollte auf mindestens etwa eine Dezimalstelle übereinstimmen, um Fresnel-Geisterreflexionen zu vermeiden. In dieser Ausführungsform ist die Plankonvexlinse 1210 aus einem Absorptionsglas, wie z. B. Schott-NG3, -NG4 oder - NG5 oder einem beliebigen derartigen Filterglas, hergestellt, das die erforderliche 10-fache Intensitätsreduzierung zwischen der Mitte und den Kanten der Optik bereitstellt. Aufgrund der Form der Plankonvexlinse 1210 wirkt die Optik wie ein lineares Apodisationsfilter, das die Form der Linse annimmt, und stimmt die Absorptionsfilterkurve mit der Form der Linse überein. Da sowohl die Plankonkavlinse 1205 als auch die Plankonvexlinse 1210 den gleichen Krümmungsradius, aber entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wird keine optische Leistung eingebracht und verhält sich die optische Anordnung 1200 im Wesentlichen wie ein dickes Fenster.
18 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform, wobei das Apodisationsfilter durch eine Prismenanordnung 1300 umgesetzt ist. Diese Figur ist eine Draufsicht von der Grundfläche der Prismenanordnung, die drei Dreiecksprismen umfasst. In dieser Ausführungsform ist ein erstes Dreiecksprisma 1305 aus einem Absorptionsfilterglas, wie z. B. einem Schott-NG4-, -NG5- oder -NG11-Glas, gefertigt und sind zweites Dreiecksprisma 1310 und ein drittes Dreiecksprisma 1315 aus einem transparenten Glas mit einem Brechungsindex gefertigt, der zu innerhalb etwa einer Dezimalstelle mit dem Brechungsindex des Absorptionsfilterglases des ersten Dreiecksprismas 1305 vergleichbar ist. Das zweite Dreiecksprisma 1310 und das dritte Dreiecksprisma 1315 sind im Wesentlichen identische Prismen, die ungefähr halb so groß sind wie das erste Dreiecksprisma 1305. Das zweite Dreiecksprisma 1310 und das dritte Dreiecksprisma 1315 sind optisch mit dem ersten Dreiecksprisma 1305 verbunden. Eine erste Seitenfläche 1320 des ersten Dreiecksprismas 1305 ist mit einer Seitenfläche 1325 des dritten Dreiecksprismas 1315 verbunden und eine zweite Seitenfläche 1330 des ersten Dreiecksprismas 1305 ist mit einer Seitenfläche 1335 des zweiten Dreiecksprismas 1310 verbunden. Wie dargestellt, bilden die Grundflächen der drei das Apodisationsfilter bildenden Dreiecksprismen 1305, 1310, 1315 ein Rechteck. Die Konfiguration der Prismenanordnung 1300 der vorliegenden Erfindung stellt ein lineares dreieckiges Intensitätsfilter mit einem Transmissionsprofil bereit, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis des auf den Pixeldetektor auftreffenden Laserstrahls bei den Punkten geringerer Intensität in der dritten oder weiteren Rayleighlängen verbessert.
19 veranschaulicht ein Laserstrahlanalysesystem 1400, welches das neuartige, lineare dreieckige Intensitätsfilter unter Verwendung der in 18 dargestellten Prismenanordnung beinhaltet. Das Strahlanalysesystem 1400 beinhaltet einen Laser, der einen Laserstrahl 1405 bereitstellt, eine Fokussierlinse 1410, ein Fabry-Perot-Etalonpaar 1415, das lineare dreieckige Intensitätsfilter 1420 und einen Pixeldetektor 1425. Das lineare dreieckige Intensitätsfilter 1420 ist in großer Nähe zu dem Pixeldetektor 1425 positioniert. In dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl 1405 durch die Fokussierlinse 1410 auf das Fabry-Perot-Etalonpaar 1415 fokussiert, wobei der Laserstrahl 1405 mehreren Reflexionen und damit verbundenem Teilen des Laserstrahls 1405 innerhalb der Fabry-Perot-Resonatoranordnung ausgesetzt wird. Daher weist jeder nachfolgend durchgelassene Strahl 1430, der auf den Pixeldetektor 1425 auftrifft, eine um etwa 1 % geringere Intensität auf. Darüber hinaus trifft gemäß der vorliegenden Erfindung der durchgelassene Strahl 1430 auf das lineare dreieckige Intensitätsfilter 1420 auf und bewirkt das lineare dreieckige Intensitätsfilter 1420 eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des auf den Pixeldetektor 1425 auftreffenden Laserstrahls, wodurch sich die Fähigkeit des Pixeldetektors 1425 verbessert, die Punkte geringerer Intensität in der dritten und höheren Rayleighlängen zu erkennen.
20 veranschaulicht ein Laserstrahlanalysesystem 1500, welches das in 15 und 16 veranschaulichte neuartige Apodisationsfilter beinhaltet. Das Strahlanalysesystem 1500 beinhaltet in dieser Ausführungsform einen Laser, der einen Laserstrahl 1505 bereitstellt, eine Fokussierlinse 1510, ein Fabry-Perot-Etalonpaar 1515, das lineare Apodisationsfilter 1520 und einen Pixeldetektor 1525. Das lineare Apodisationsfilter 1520 ist in großer Nähe zu dem Pixeldetektor 1525 positioniert. In dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl 1505 durch die Fokussierlinse 1510 auf das Fabry-Perot-Etalonpaar 1515 fokussiert, wobei der Laserstrahl 1505 mehreren Reflexionen und damit verbundenem Teilen des Laserstrahls 1505 innerhalb der Fabry-Perot-Resonatoranordnung ausgesetzt wird. Daher weist jeder nachfolgend durchgelassene Strahl 1530, der auf den Pixeldetektor 1525 auftrifft, eine um etwa 1 % geringere Intensität auf. Darüber hinaus trifft gemäß der vorliegenden Erfindung der durchgelassene Strahl 1530 auf das lineare Apodisationsfilter 1520 auf und bewirkt das lineare Apodisationsfilter 1520 eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des auf den Pixeldetektor 1525 auftreffenden Laserstrahls, wodurch sich die Fähigkeit des Pixeldetektors 1525 verbessert, die Punkte geringerer Intensität in der dritten und höheren Rayleighlängen zu erkennen. Überdies bewirkt das lineare Apodisationsfilter, da das Substrat des linearen Apodisationsfilters 1520 aus einem Absorptionsglas gefertigt ist, zudem, dass eine Störung der mit dem Pixeldetektor 1525 durchgeführten Messungen durch die zweiten Oberflächengeisterreflexionen reduziert wird.
21 veranschaulicht ein Laserstrahlanalysesystem 1600, welches das neuartige, radiale Absorptionsglas unter Verwendung der in 17 dargestellten Prismenanordnung beinhaltet. Das Strahlanalysesystem 1600 beinhaltet in dieser Ausführungsform einen Laser, der einen Laserstrahl 1605 bereitstellt, eine Fokussierlinse 1610, ein Fabry-Perot-Etalonpaar 1615, das radiale Apodisationsfilter 1620 und einen Pixeldetektor 1625. Das radiale Apodisationsfilter 1620 ist in großer Nähe zu dem Pixeldetektor 1625 positioniert. In dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl 1605 durch die Fokussierlinse 1610 auf das Fabry-Perot-Etalonpaar 1615 fokussiert, wobei der Laserstrahl 1605 mehreren Reflexionen und damit verbundenem Teilen des Laserstrahls 1605 innerhalb der Fabry-Perot-Resonatoranordnung ausgesetzt wird. Daher weist jeder nachfolgend durchgelassene Strahl 1630, der auf den Pixeldetektor 1625 auftrifft, eine um etwa 1 % geringere Intensität auf. Darüber hinaus trifft gemäß der vorliegenden Erfindung der durchgelassene Strahl 1630 auf das radiale Apodisationsfilter 1620 auf und bewirkt das radiale Apodisationsfilter 1620 eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des auf den Pixeldetektor 1625 auftreffenden Laserstrahls, wodurch sich die Fähigkeit des Pixeldetektors 1625 verbessert, die Punkte geringerer Intensität in der dritten und höheren Rayleighlängen zu erkennen. Überdies bewirkt das radiale Apodisationsfilter, da die Linse des radialen Apodisationsfilters 1620 aus einem Absorptionsglas gefertigt ist, zudem, dass eine Störung der mit dem Pixeldetektor 1625 durchgeführten Messungen durch die zweiten Oberflächengeisterreflexionen reduziert wird.
In einem Ausführungsbeispiel wurde ein lineares Apodisationsfilter gefertigt und mit einem Laserstrahlanalysesystem getestet und in großer Nähe zu dem Pixeldetektor platziert, wie in 20 veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel war der Laser eine Dauerstrichlaserfaser mit geringem M², die bei 1070 nm betrieben wurde. Bei der Fokussierlinse handelte es sich um eine Linse mit F = 201,4 mm. Die Nenngröße des linearen Apodisationsfilters betrug 23,5 mm x 12,5 mm x 1,89 mm und es bestand aus Schott-Glas-NG4-Filterglas, auf das eine metallisierte lineare Apodisationsbeschichtung abgeschieden worden war, um eine Gauß-Dämpfung von einer OD = -2,0 auf 0 über die Abmessung von 23,5 mm nachzuahmen. 22 veranschaulicht ein Diagramm zu einer Strahlkaustik einer räumlichen Zeitscheibe durch +/- 4 Rayleighlängen aus dieser beispielhaften Echtzeit-Strahlanalyse. In der Strahlkaustik ist zu erkennen, dass das Diagramm +/- 4 Rayleighlängen abdeckt, bevor die Signalintensität auf einen Wert abnimmt, den der Pixeldetektor nicht leicht messen kann, ohne das Rauschen zu messen. Demnach beinhaltet die Ausführungsform Punkte in der dritten Rayleighlänge und somit ist das System mit ISO 11146-1:2005 kompatibel.
23 veranschaulicht einen Framegrabber-Bildschirm, der sich aus dem Betrieb des Ausführungsbeispiels unter Verwendung eines linearen Apodisationsfilter ergibt. Wie in 23 dargestellt, bewirkt die Verwendung des linearen Apodisationsfilters in dem Echtzeit-Strahlanalysesystem eine Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses der vierten Rayleighlängen zu einem Verhältnis, das mit dem der ersten Rayleighlänge vergleichbar ist.
Demnach stellt die vorliegende Erfindung in dieser Ausführungsform ein verbessertes Laserabbildungssystem bereit, das eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des auf den Pixeldetektor auftreffenden Laserstrahls bewirkt, wodurch sich die Strahlintensität des Laserstrahls erhöht, die von dem Detektor des Abbildungssystems gesehen wird, und sich die Fähigkeit des Detektors verbessert, einen auftreffenden Laser genau zu analysieren.
Somit wird ersichtlich, dass die oben dargelegten und sich aus der vorstehenden Beschreibung ergebenden Aufgaben wirksam erfüllt werden, und da bestimmte Änderungen an dem obigen Aufbau vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, ist es vorgesehen, dass sämtliche in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen oder in den beifügten Zeichnungen dargestellten Inhalte als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinne auszulegen sind.
Es versteht sich, dass die folgenden Ansprüche sämtliche der gattungsmäßigen und konkreten Merkmale der hier beschriebenen Erfindung sowie sämtliche Angaben zum Umfang der Erfindung, bei denen vom Wortlaut her ausgesagt werden könnte, dass sie dazwischen fallen, abdecken sollen.

Claims

Verfahren zum Messen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Positionieren eines Apodisationsfilters zwischen einem Pixeldetektor und einer Laserquelle, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt; Abgeben eines Laserstrahls aus der Laserquelle auf das Apodisationsfilter; und Durchlassen mindestens eines Anteils des Laserstrahls durch das Apodisationsfilter zu dem Pixeldetektor auf Grundlage des Transmissionsprofils des Apodisationsfilters.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Messen des Anteils des auf den Pixeldetektor auftreffenden Laserstrahls, wobei eine Intensität des Anteils des Laserstrahls in einer ersten Rayleighlänge im Wesentlichen gleich einer Intensität des Anteils des Laserstrahls in einer dritten Rayleighlänge ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: ein Substrat, umfassend ein Absorptionsglas mit einer optischen Dichte (OD) von mindestens -1; und eine auf das Substrat abgeschiedene Metallbeschichtung, wobei die Metallbeschichtung das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters festlegt, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Laserstrahl auf die Metallbeschichtung auftrifft und wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Durchlassen eines Teils des Lichts, das auf die Metallbeschichtung des Apodisationsfilters auftrifft, zu dem Absorptionsglas des Apodisationsfilters; Reflektieren eines Anteils des Lichts, das auf das Absorptionsglas des Apodisationsfilters auftrifft; und Absorbieren des reflektierten Lichtanteils durch das Absorptionsglas, um Geisterbilder an dem Pixeldetektor zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: eine zylindrische Plankonkavlinse; und eine zylindrische Plankonvexlinse, die aus einem Absorptionsglas gefertigt ist, wobei die zylindrische Plankonkavlinse und die zylindrische Plankonvexlinse im Wesentlichen den gleichen Krümmungsradius aufweisen, wobei der Brechungsindex der zylindrischen Plankonvexlinse und der Brechungsindex der zylindrischen Plankonkavlinse im Wesentlichen gleich sind und wobei der Krümmungsradius das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters festlegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zylindrische Plankonkavlinse optisch mit der zylindrischen Plankonvexlinse unter Verwendung eines Haftmittels, das einen Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex der zylindrischen Plankonkavlinse und der zylindrischen Plankonvexlinse ist, oder durch Atombindung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: ein erstes Dreiecksprisma, das aus einem Absorptionsglas gefertigt ist; ein zweites Dreiecksprisma, das aus einem im Wesentlichen transparenten Glas gefertigt ist; und ein drittes Dreiecksprisma, das aus einem im Wesentlichen transparenten Glas gefertigt ist, wobei eine Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas optisch mit einer ersten Seitenfläche des ersten Dreiecksprismas verbunden ist und eine Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas optisch mit einer zweiten Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas verbunden ist und wobei Abmessungen des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas im Wesentlichen gleich sind und Abmessungen des ersten Dreiecksprismas ungefähr doppelt so hoch wie die des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Brechungsindex des ersten Dreiecksprismas, des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas im Wesentlichen gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das optische Verbinden unter Verwendung eines Haftmittels mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des ersten Dreiecksprismas, des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas ist, oder durch Atombindung erfolgt.
Vorrichtung zum Messen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Laserquelle zum Abgeben eines Laserstrahls; einen Pixeldetektor zum Analysieren des von der Laserquelle abgegebenen Laserstrahls; und ein Apodisationsfilter, das zwischen dem Pixeldetektor und der Laserquelle positioniert ist, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters einen Laserstrahl ergibt, der auf den Pixeldetektor mit einer Intensität in einer ersten Rayleighlänge auftrifft, die im Wesentlichen gleich einer Intensität in einer dritten Rayleighlänge ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: ein Substrat, umfassend ein Absorptionsglas mit einer optischen Dichte (OD) von mindestens -1; und eine auf das Substrat abgeschiedene Metallbeschichtung, wobei die Metallbeschichtung das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters festlegt, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: eine Plankonkavlinse; und eine Plankonvexlinse, die aus einem Absorptionsglas gefertigt ist, wobei die Plankonkavlinse und die Plankonvexlinse im Wesentlichen den gleichen Krümmungsradius aufweisen, wobei der Brechungsindex der Plankonvexlinse und der Brechungsindex der Plankonkavlinse im Wesentlichen gleich sind und wobei der Krümmungsradius das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters festlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Plankonkavlinse optisch mit der Plankonvexlinse unter Verwendung eines Haftmittels, das einen Brechungsindex aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex der zylindrischen Plankonkavlinse und der zylindrischen Plankonvexlinse ist, oder durch Atombindung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: ein erstes Dreiecksprisma, das aus einem Absorptionsglas gefertigt ist; ein zweites Dreiecksprisma, das aus einem im Wesentlichen transparenten Glas gefertigt ist; und ein drittes Dreiecksprisma, das aus einem im Wesentlichen transparenten Glas gefertigt ist, wobei eine Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas optisch mit einer ersten Seitenfläche des ersten Dreiecksprismas verbunden ist und eine Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas optisch mit einer zweiten Seitenfläche des zweiten Dreiecksprismas verbunden ist und wobei Abmessungen des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas im Wesentlichen gleich sind und Abmessungen des ersten Dreiecksprismas ungefähr doppelt so hoch wie die des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Brechungsindex des ersten Dreiecksprismas, des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas im Wesentlichen gleich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das optische Verbinden unter Verwendung eines Haftmittels mit einem Brechungsindex, der im Wesentlichen gleich dem Brechungsindex des ersten Dreiecksprismas, des zweiten Dreiecksprismas und des dritten Dreiecksprismas ist, oder durch Atombindung erfolgt.
Vorrichtung zum Messen eines Laserstrahls in einem Laserabbildungssystem, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: eine Laserquelle zum Abgeben eines Laserstrahls; eine Fabry-Pérot-Kavität; eine Fokussierlinse, die zwischen der Laserquelle und der Fabry-Pérot-Kavität positioniert ist; einen Pixeldetektor zum Analysieren des von der Laserquelle abgegebenen Laserstrahls; und ein Apodisationsfilter, das zwischen dem Pixeldetektor und der Fabry-Pérot-Kavität positioniert ist, wobei das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt, und wobei das Apodisationsfilter Folgendes umfasst: ein Substrat, umfassend ein Absorptionsglas mit einer optischen Dichte (OD) von mindestens -1; und eine auf das Substrat abgeschiedene Metallbeschichtung, wobei die Metallbeschichtung das Transmissionsprofil des Apodisationsfilters bestimmt, das etwa 10-mal weniger in einer Mitte des Apodisationsfilters als an den Kanten des Apodisationsfilters beträgt.