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
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.
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
Signal_z-Richtung.JPG
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