Guten Morgen zusammen, nachdem ich schon viele hilfreiche Beiträge für meine Masterarbeit nutzen konnte, komme ich nun nicht weiter und bräuchte Hilfe. Ich habe einen Laserstrahl, deren Fokus möchte ich mit einer Photodiode möglichst exakt detektieren. Der Laser befindet sich an einem Roboter und wird über diesen verfahren, die Photodiode ist mit Auswerteschaltung an einer festen, vom Roboter erreichbaren Position platziert. Die Auswerteschaltung besteht aus einem Transimpedanzverstärker mit anschließendem Spitzenwertdetektor und funktioniert soweit einwandfrei. Für die Detektion fahre ich nun alle Raumrichtungen ab um die Koordinaten des Fokus zu erhalten. Senkrecht zum Strahl funktioniert das auch alles prima, die Koordinaten sind reproduzierbar und genau. Jedoch entlang des Strahls bekomme ich keine reproduzierbaren Werte um die Fokuslage zu bestimmen. Um Verzögerungen der Schaltung oder der Steuerung zu umgehen messe ich jeweils einmal in plus und in minus-Richtung und mittle die beiden Werte. Der Verlauf entlang der Strahlachse sollte bis zum Fokusbeginn steigen, dann während der Fokuslänge gleichbleiben (Plateau) und danach symmetrisch zum Anstieg wieder abfallen. Jedoch sieht meine Kurve bei gleichbleibenden Parametern immer ein bisschen anders aus. Dazu im Anhang ein Ausschnitt vom Oszi. Das Signal hat weder ein gleichbleibendes Plateau noch ist es symmetrisch, auch die Messungen in plus und minus-Richtung ergeben nicht wie erwartet ein gespiegeltes Bild. Ausschließen als Problem kann ich die Auswerteschaltung, da das Signal auch bei einer Photodiode parallel zu einem Widerstand so aussieht. Auch ausgeschlossen werden kann der Roboter da die Bahngenauigkeit >0,1mm ist. Deshalb meine Frage, warum erreiche ich keine Reproduzierbarkeit der Messungen entlang des Strahls? Kann es an der Photodiode liegen (Sättigung, Nichtlinearität, Randeffekte)? Getestet habe ich es mit einer BPW21 und einer BPW34. Oder gibt es ein anderes Problem was ich nicht bedacht habe? Vielen Dank schonmal! Gruß Dominik
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Dominik schrieb: > Kann es an der Photodiode liegen > (Sättigung, Nichtlinearität, Randeffekte)? Kann schon sein. Welche Laserleistung bei welcher Wellenlänge schickst du denn auf die Photodiode? Wie groß ist der Photostrom und bis zu welchen Strömen sind die verwendeten Dioden linear? Wie stark kann sich Fremdlicht im Vergleich zum Laser bemerkbar machen? Dominik schrieb: > Der Laser befindet sich an einem Roboter > und wird über diesen verfahren, Von welche Dimensionen reden wir? Wie ist der ungefähre Fokusdurchmesser, wie der Verfahrweg? Wenn die Ausrichtung des Lasers bei der Bewegung des Roboters um 1/10 Grad wackelt, wie stark ist dann der laterale Versatz des Fokus bei der Photodiode? Nutzt du die volle Empfangsfläche deiner Dioden oder hast du Sie hinter einem Pinhole? Und zu guter letzt noch: was genau zeigen eigentlich die beiden Kurven auf deinem Oszi? Tja, tut mir leid: ich hab scheinbar keine Antworten für dich sondern nur Zusatzfragen ;-)
Wie genau glaubst Du, mit einer Photodiode einen Fokuspunkt bestimmen zu können? Die Menge des Lichts auf der Diode bleibt doch gleich, egal ob fokussiert oder nicht. Alle Änderungen werden nur kleine Nichtlinearitäten im Verhalten der Fotodiode sein.
Fotodiode finde ich auch einen recht exotischen Ansatz. Das macht ja nur bei sehr divergenten Strahlen Sinn. Ansonsten hat man ja selten >5mm Strahldurchmesser. Für <=5mm Durchmesser hab ich mit monochrom-CMOS-Sensor ohne Optik mit vorgesetzten ND-Filter gute Erfahrungen gemacht.
Evtl. geht Lochblende vor der Photodiode... Oder eine Diode mit wirklich kleiner Fläche.
Die Laserleistung ist <5mW bei einer Wellenlänge von 630 - 680nm. Fremdlicht kann ich ausschließen, da das ganze auch schon abgedunkelt geschehen ist. Auch mit einem ND-Filter habe ich es schon ausprobiert, bringt keine Verbesserung. Der Laser am Roboter ist exakt ausgerichtet, sodass immer genau entlang des Strahls gemessen wird, d.h. kein lateraler Versatz. Der Verfahrweg ist ungefähr 60mm lang. Der Fokusdurchmesser ca. 1mm. Ich nutze die ganze Empfangsfläche. Die Kurve soll einen Verfahrweg in plus (linker Teil) und in minus-Richtung (rechter Teil) darstellen. Das digitale Signal ist für die Fragestellung nicht relevant gewesen. Gerne beantworte ich auch noch mehr!
Gewollt ist eine Bestimmung auf 0,1mm genau. Senkrecht zum Strahl funktioniert das ja auch schon gut. Während der Bewegung entlang der Strahlachse steigt die Intensität bis zum Fokus und danach fällt sie wieder. Durch eine Fokuslänge die durch die Optik entsteht entsteht das Plateau und danach fällt es wieder. Wird auch so detektiert, nur eben nicht reproduzierbar. Das mit der Lochblende werde ich mal probieren und auch den monochromen CMOS Sensor mir mal anschauen
Du schreibst du möchtest den Fokus finden, also befindet sich vor der Laserdiode eine Optik, die auf einen bestimmten Punkt fokussiert. Aus Erfahrungen kann ich dir berichten, dass eine Laserdiode, die ein gauss'sches Strahlprofil hat, unterhalb des Fokuspunktes kein gauss'sches Profil mehr aufweist und es zu sehr seltsamen Interferrenzbildern kommt. Grund ist, dass die Näherungen der maxwellschen Gleichungen für den Nahbereich ungültig sind. Eine einzelne Photodiode zu verwenden ist vielleicht unpraktisch, besser ist die Verwendung einer 4-Quadrantenphotodiode, um senkrecht zum Strahl den Strahlmittelpunkt zu finden. Wenn die Signale auf allen vier Photodioden gleich groß sind bist du im Strahlmittelpunkt. Auch ein 2D-PSD könnte verwendet werden. Den Fokus entlang des Strahls und damit die Strahltaille sowie den Strahlmittelpunkt findest du mit einer CMOS-Kamera natürlich wesentlich leichter. Vielleicht hast du noch eine alte USB-Kamera, die du zerlegen, den IR-Filter entfernen und für diese Zwecke verwenden kannst?
Die passende Methode könnte der Aufbau wie beim CD Player sein, ggf. sogar einfach der Teil der Optik aus einem CD Player. Im Prinzip wird da genau die Focuslänge nachgeregelt, und das auf besser als 1 µm. Hier wird es wegen der viel kleineren Apertur und größeren Brennweite nicht so gut gehen, aber das Prinzip sollte übertragbar sein. Ein passende "Kamera" wäre ggf. auch ein optischer Maussensor. Wegen der Intensität wird man vermutlich den Strahl noch abschwächen müssen (z.B. per Filter oder Reflexion. Auch wenn der Roboter bei der Bahn recht genau ist, kann es durch kleine Fehler beim Winkel schon zu größeren Abweichungen in der Position kommen.
Lurchi schrieb: > Die passende Methode könnte der Aufbau wie beim CD Player sein, Eine ähnliche Methode hat man sogar zur Vermessung der Struktur von Oberflächen benutzt. Allerdings hat sich diese Methode gegen- über den etablierten, mechanischen Methoden nicht durchgesetzt, vermutlich wegen geringerer Genauigkeit. Gruss Harald
Dominik schrieb: > Deshalb meine Frage, warum erreiche ich keine Reproduzierbarkeit der > Messungen entlang des Strahls? Wie hast du die Strahlaufweitung gemacht? In deiner Masterarbeit solltest du die Optik durch eine anständige Graphik veranschaulichen und auch hier würde ein Bild des Strahlverlaufs (zumindest strahlenoptisch, Angaben zu Divergenz, Strahlprofil, innerer Divergenz des Strahlenbündels) die Diskussion sehr vereinfachen.
Ein Strahl wird ueblicherweise mit 2 um 90 Grad versetzten Spiralscheiben abgetastet. Laesst man eine Spiralscheibe in den Strahl hinein drehen wird pro delta-winkel eine Flaeche abgeschattet. Mit einer Scheibe alleine kriegt man so das Intensitaetsprofil in einer Achse. Mit zwei scheiben in zwei achsen.
Es gibt ja die Methode den Focus über einen verstellbare Abschattung zu bestimmen. Wenn der Strahl in x Richtung geht, an verschieden x_m die Abschattung in y Richtung verschieben und die Leistung auf dem Detektor bestimmen. x_m und y_10% und y_90% auftragen. Vor und hinter dem Focus sind die 10% und 90% punkte gute Geraden, im Focus natürlich nicht ;) Siehe auch massey.dur.ac.uk/resources/grad_skills/KnifeEdge.pdf Wenn es also möglich ist den Focuspunkt zu durchfahren, evtl. mit einer CCD und der 80% Energie Fläche probieren...
ahahaha schrieb: > Und wie funktioniert diese Methode? Über die schon erwähnte Vierquadranten-Photodiode. Durch die spezielle Optik ist der Strahl oberhalb des Fokuspunkt quer oval und unterhalb längs oval. So kann man feststellen, in welcher Richtung mechanisch nachfokussiert werden muss. Diese Bewegungen werden über einen elektromechanischen Taster aufgenommen und angezeigt. Gruss Harald
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