DE3943518A1 - Vorrichtung zur detektion der wellenfront eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US-A 41 41 652 als Wellenfront­ detektor mit sog. Hartmann-Sensor bekannt. Jedem einzelnen Vierqua­ dranten-Detektor eines Detektorarrays ist eine Sammellinse zugeord­ net. Entsprechend dem Strahlprofil werden die die einzelnen Sammel­ linsen durchdringenden Laserteilstrahlen jeweils auf den einzelnen Sammellinsen zugehörige Vierquadranten-Detektoren fokussiert. Daraus ist ein Rückschluß auf die Wellenfrontgeometrie des Strahles möglich, die apparativ und durch die atmosphärischen Ausbreitungsrealitäten unvermeidlich sind, aber im Interesse optimaler Strahlwirkung mög­ lichst beseitigt werden sollen. Zur elektrischen Kompensation z. B. der mechanischen Aufbau-Toleranzen und seiner Temperaturdrift-Fehler kann anstelle des später zu vermessenden Strahls zunächst ein Ver­ gleichsstrahl mit ebener Wellenfront eingespeist werden, um daraus Korrekturgrößen für die spätere Auswertung zu gewinnen.

Das Multi-Dither-Glint-Verfahren (vgl. DE-PS 34 22 232) dagegen optimiert nur auf ein Intensitätsmaximum, was noch keine echte Wellen­ front-Korrektur darstellt und aufgrund seiner Abhängigkeit vom momen­ tan wirksamen Target-Glint sowie dessen Umgebungs-Kontrast dynamisch relativ unbestimmt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die tatsächlich hinsichtlich der Strahlen-Wellenfront eine wirksame Kompensation der systembedingten Aufbautoleranzen und temperaturabhängigen Fehler erbringt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gattungs­ gemäße Vorrichtung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches ausgelegt ist.

Das bewährte Prinzip der Strahlquerschnitts-Abtastung mittels eines Hartmann-Detektors wird also beibehalten, aber nun erfahren dessen einzelne Teilstrahlen eine Lagekorrektur vor ihrer Lageauswertung auf dem jeweils zugeordneten Vierquadrantendetektor, mittels derer dann wie gewohnt z. B. die reale Abweichung von der idealen sphärischen Wellenfront ermittelt wird.

Über die um zwei Raumachsen kippbaren bzw. verschwenkbaren, vor den einzelnen Unter-Aperturen gelegenen Reflexionselemente kann so mit einem Positionsregler der Brennpunkt jedes Laserteilstrahles stets im Zentrum des zugehörigen Detektors abgebildet werden. Bei einem Referenz-Laserstrahl mit einer ebenen Wellenfront entspricht dann die dafür gegebene Auslenkung der einzelnen Reflexionselemente den in der Vorrichtung gegebenen optischen Sensorfehlern, die folglich mit dieser Auslenk-Information bei der späteren Strahlvermessung kompensiert werden können. Diese hier sogenannte aktive Fehlerkorrektur ermöglicht somit die Beseitigung von Fehlern höherer Ordnung, die passiv-mechanisch bei einem feststehenden Aufbau des Linsenarray gar nicht mehr beeinflußbar sind.

Die elektronische Regeleinrichtung kann eine Regelbandbreite aufwei­ sen, die der Meßbandbreite entspricht. In diesem Fall stehen die zusätzlichen Schwenkungen bzw. Kippungen der Reflexionselemente für die deformierte Wellenfront. Die durch die Detektorflächen be­ grenzte Aussteuerbarkeit wird hierbei von den maximalen Kippwinkeln bestimmt. Mit einer solchen Regeleinrichtung können zeitinvariante Korrekturen vorgenommen, d. h. Fehler beseitigt werden. Die mittels einer ebenen Wellenfront gewonnenen Korrekturinformationen werden dafür als Voreinstellung (offset) abgespeichert.

Um auch zeitinvariante Fehler wie relativ langsam ablaufende Tempera­ turdriften beseitigen zu können, ist es möglich, der elektronischen Regeleinrichtung eine Regelbandbreite zu geben, die kleiner ist als die Meßbandbreite. Ein fertigungsseitiges Justageerfordernis für die einzelnen Linsen des Array entfällt, da auch diese Fokusab­ age-Korrektur durch die Kipp-Einstellung des zugeordneten Spiegels übernommen wird.

Zwischen der Fokusebene der Sammellinsen-Teilstrahlen und dem Detek­ torarray kann eine zur Meßstabtransformation dienende Optik angeord­ net sein. Dadurch ist es beispielsweise möglich, ein handelsübliches 8×8-Detektorarray der Abmessungen 6,4×6,4 mm² mit einer Pixelgröße von 740 µm×740 µm und einem Spalt von 60 µm zu verwenden.

Es folgt eine Beschreibung von in der Zeichnung schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Ausmessen der Wellenfront eines Laserstrahls,

Fig. 2 eine räumliche vergrößerte Darstellung eines der Refle­ xionselemente aus Fig. 1 und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der zwischen dem Detektor­ array und dem Sammellinsenarray angeordneten Optikeinrich­ tung zur Maßstabtransformation.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur Detektion der Wellenfront 30 eines Laser­ strahls 12. An einem Reflektor 72 wird der Laserstrahl 12 zu einem Array 74 von Reflexionselementen 76 umgelenkt. Von diesen wird der Laserstrahl 12 in eine Anzahl von Teilstrahlen 78 aufgeteilt, die zu einem Sammellinsenarray 80 gelenkt werden, das eine gleiche Anzahl Sammellinsen 82 enthält. In Laufrichtung hinter dem Sammellinsenar­ ray 80 ist ein Array 14 als Detektoreinrichtung angeordnet, das weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 detaillierter beschrieben wird. Das Detektorarray 14 weist eine gleiche Anzahl Ausgänge 84 auf, von denen nur zwei in ihrem weiteren Schaltungsverlauf gezeichnet sind, während die übrigen nur als kurze Striche angedeutet sind. Jeder Ausgang 84 ist mit einer dynamischen Korrektureinheit 86 verbun­ den, die außerdem einen Eingang 88 zur Korrektur von Aufbaufehlern der Vorrichtung 10 aufweist. Eine zur Ermittlung von Umwelteinflüssen wie Vibrationen mittels Sensoren 94 vorgesehene Einrichtung 90 ist über Ausgänge 92 mit den jeweiligen dynamischen Korrektureinheiten 86 verbunden. Außerdem sind die dynamischen Korrektureinheiten 86 zur Einrichtung 90 rückgekoppelt, was durch die Pfeile 96 angedeutet ist. Die Ausgänge der dynamischen Korrektureinheiten 86 sind mit den zugehörigen Reflexionselementen 76 nämlich mit Antriebseinrich­ tungen 98 für die Reflexionselemente 76 verbunden. Ausgänge 100 sowie Ausgänge 102, von denen jeweils nur zwei angedeutet sind, dienen zur Auswertung des Wellenfrontprofils des Laserstrahls 12. An den Ausgängen 100 entspricht die Regelkreisbandbreite der Meßband­ breite. Im Gegensatz dazu ist die Bandbreite des Regelkreises an den Ausgängen 101 kleiner als die Meßbandbreite.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist jedes Reflexionselement 76 um zwei Raumachsen 104 und 106 verschwenkbar. Damit ist es möglich, das jeweilige Reflexionselement 76 in jeder beliebigen Raumrichtung einzustellen. Zu diesem Zweck sind zwei die Antriebseinrichtung 98 (siehe Fig. 1) bildende Antriebe 108 und 110 vorgesehen. Bei diesen handelt es sich beispielsweise um kleine Elektromotoren, um Piezo­ elemente oder dergleichen. Mit Hilfe des Antriebes 108 ist das Re­ flexionselement 76 in bezug auf ein Rahmenelement 112 um die Raum­ achse 104 verschwenkbar. Das Rahmenelement 112 ist mittels des An­ triebes 110 in bezug auf eine Basis 114, die durch zwei beliebige Flächenabschnitte angedeutet ist, um die Raumachse 106 verschwenk­ bar. Bei einer gleichzeitigen Aktivierung der beiden Antriebe 108 und 110 ist es demnach möglich, das Reflexionselement 76 räumlich beliebig einzustellen. Das erfolgt mittels der in Fig. 1 angedeuteten elektronischen Regeleinrichtung 116.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, nämlich das Sammellinsen­ array 80 mit den Sammellinsen 82, die Detektoreinrichtung 14, und eine dazwischen angeordnete Optik 118, die zur Maßstabstransformation dient. In der Fokusebene 120 sind die Brennpunkte 122 der Laser­ teilstrahlen 78 äquidistant vorgesehen. Mit Hilfe der Optik 118 ist es möglich, die an sich voneinander relativ weit beabstandeten Brennpunkte 122 der Laserteilstrahlen 78 hinter dem Linsenarray 80 auf eine Detektoreinrichtung 14 abzubilden, die ein Detektor­ array kleiner Abmessungen von z. B. 6,4 mm×6,4 mm aufweist. Auf einem solchen handelsüblichen Detektorarray können 8×8 bis 32×32 Einzeldetektoren vorhanden sein, so daß sich 64 bzw. 1024 Pixel ergeben.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Detektion der Wellenfront eines Laserstrahles (12) mittels eines Vierquadranten-Detektorarrays (14) hinter einem Sammellinsenarray (80), dadurch gekennzeichnet,
daß in Richtung des Laserstrahles (12) vor dem Sammellinsenarray (80) ein Array optischer Reflexionselemente (76) angeordnet ist, die jeweils einer bestimmten Sammellinse (82) des Arrays (80) zugeordnet und mittels Antriebseinrichtungen (98) um zwei gegenein­ ander geneigte Raumachsen (104, 106) verschwenkbar sind,
und daß die Antriebseinrichtungen (98) mit einer Regeleinrichtung (116) zur Fehlerkompensation durch Einstellung der Brennpunkte der zu den Sammellinsen (82) zugeordneten Teilstrahlen (78) auf das Zentrum des jeweiligen Vierquadranten-Detektors des Arrays (14) verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes optische Reflexionselement (76) um zwei zueinander mindestens annähernd senkrecht ausgerichtete Raumachsen (104, 106) verschwenkbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (116) eine Regelbandbreite aufweist, die der Meßbandbreite entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (116) eine Regelbandbreite aufweist, die kleiner ist als die Meßbandbreite.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Maßstabstransformation eine Optik (118) zwischen der Fokusebene (120) der Sammellinsen-Teilstrahlen (78) und dem Detek­ torarray (14) angeordnet ist.