CCD-Kameras werden häufig in der Bilddatenerfassung und in optischen Messgeräten eingesetzt. Diese Kameras sind hervorragend für Bilderfassung und Laserstrahlanalyse geeignet. Es gibt allerdings auch zwei Faktoren, die die Leistungsfähigkeit von CCD-Kameras einschränken. Der erste Faktor ist die Kennlinienverschiebung der Kamera. Wenn die Kennlinie unter den Nullpunkt des Framegrabbers abfällt, geht die Hintergrundinformation verloren und kann nicht wiederhergestellt werden. Verschiebt sich die Kennlinie über den Nullpunkt des Framegrabbers, werden verfälschte Hintergrundinformationen zum Bild hinzugefügt. Diese verfälschten Hintergrundinformationen lassen sich teilweise korrigieren, indem man eine Aufnahme nur des „leeren“ Hintergrundes macht und die Bildinformationen dieser Aufnahme von den aufgezeichneten Einzelbildern abzieht. (Die Aussage „teilweise korrigieren“ wird später noch genauer erklärt.) Die zweite negative Eigenschaft von CCD-Kameras ist das starke Hintergrundrauschen. Von den 256 Werten, die eine durchschnittliche 8-Bit-CCD-Kamera erfassen kann, haben etwa 2 bis 6 Werte Hintergrundrauschen in der Kennlinie. Es handelt sich normalerweise um Gauß'sches Rauschen, das sowohl im negativen als auch im positiven Bereich mittlere Kennlinienwerte erreicht. Bei normaler Kennliniensubtraktion wird das negative Rauschen unterdrückt, sodass nur positive Bildanteile übrig bleiben. Diese fehlenden Rauschanteile können die Genauigkeit der Messergebnisse beeinträchtigen, da diese von einem konstanten niedrigen Hintergrundsignal abhängt. In manchen Messsituationen fallen Kennlinienverschiebung und fehlende negative Rauschanteile stark ins Gewicht. In der Bildbearbeitung ist es beispielsweise sehr schwierig, Elemente mit sehr geringem Kontrastunterschied auseinander zu halten, wenn der Kontrast durch fehlende Rauschanteile beeinträchtigt ist. Bei Strahlbreitenmessung von Laserstrahlen müssen Signale von sehr geringer Intensität über die gesamte Strahlbreite analysiert werden können. Da hier über eine große Fläche sehr schwache Signale erfasst werden müssen, können bereits geringe Verzerrungen zu erheblichen Messfehlern führen. Die Auswirkungen einer fehlerhaften Kennlinie sind bei der Messung des Strahldurchmessers besonders drastisch. Diese Messung ist von hoher Wichtigkeit, weil sie den Strahldurchmesser am Messpunkt bestimmt, für die Messung der Divergenz gebraucht wird und auch für eine realistische M2-Messung unabdingbar ist, die das absolute Qualitätskriterium für einen Laserstrahl darstellt. Eine Messung des Strahldurchmessers, die so genannte 2. Momenten Methode oder D4 , die ISO-Definition des wahren Strahldurchmessers, ist besonders empfindlich für Rauschen in der Kennlinie. Bei der D4 Messmethode werden alle Signale der gesamten Strahlbreite mit einbezogen, wobei Rauschen und Signal an den Strahlflanken eine besondere Wichtigkeit zukommt. Ohne die negativen Rauschanteile und spezielle Algorithmen, die das Rauschen an den Strahlseiten vermindern, ist diese Art der Messung nicht möglich.

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Warum das Spiricon LBA-100A einsetzen und nicht ein Gerät eines anderen Herstellers?

Anwendungen der Laserstrahlanalyse in der Industrie

Einer der Spiricon Verkaufsingenieure hatte vor kurzem Gelegenheit, den LBA-100A Laserstrahlanalysator an einem YAG-Industrielaser zu demonstrieren. Bei diesem Kunden werden 10 YAG-Laser zum Schneiden und Schweißen eingesetzt. Bei zwei Lasern traten inakzeptable Schwankungen bei der Schnittqualität auf und der Kunde wollte wissen, ob mit dem LBA-100A eine Verbesserung der Strahlqualität erreicht werden könnte. Hier der Bericht über die Demonstration:
„Wir haben den Strahl hinter dem Fokuspunkt gemessen, wo er sich zu einem Durchmesser von etwa 0,635 cm aufweitete. Die Messsituation war hervorragend. Bei einem der betroffenen Laser konnte man feststellen, dass die Gauß'sche Verteilung an einer Seite abgeschnitten war. Obwohl der Strahl im IR-Viewer gleichförmig aussah und Tests mit Papier fast vollkommen runde Schnittmuster ergaben, zeigte die Messung mit dem LBA-100A doch deutliche Probleme. An einem Vergleichslaser mit guter Schnittqualität ergab die Analyse einen völlig gleichförmigen Strahl mit fast Gauß'scher Verteilung.“

Den meisten Ingenieuren, die sich mit Lasertechnik befassen, sind Begriffe wie Strahlbreite, Strahlposition, Ablenkungswinkel und Gauß-Fit, mit denen ein Laserstrahl beschrieben werden kann, geläufig. Mit dem M2-Wert lässt sich die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls in einem Zahlenwert ausdrücken. Sie gibt an, wie nahe ein Strahl einem perfekten Gauß'schen Grundmode-Strahl ist und kann daher benutzt werden, um die Eigenschaften des Fokuspunktes vorherzusagen.

Mit immer spezielleren Anwendungsgebieten steigen auch die Anforderungen an die Strahlqualität. Die traditionellen Methoden der Strahlprofilmessung, wie z.B. burn spots, mode burns oder Betrachtung des reflektierten Strahls, sind für die Bestimmung der Strahlqualität für heutige Anwendungen völlig unzureichend. Tatsächlich wird die Qualität der Laser immer besser. Dies ist zum Großteil den elektronischen Strahlprofil Messgeräten zu verdanken. Diese Messgeräte ermöglichen eine direkte Beurteilung des Strahlprofils und damit eine signifikant viel bessere Optimierung der Laserqualität. Außerdem ist mit elektronischen Strahlprofil Messgeräten eine viel genauere Quantifizierung der Strahleigenschaften möglich. Mithilfe dieser genauen Messwerte können Entwickler die Eigenschaften der Laser viel umfassender beeinflussen als bisher. Es wird über neue Algorithmen zur Quantifizierung der Strahleigenschaften sowie über die Möglichkeiten der Beschleunigung dieser Berechnungen diskutiert. Außerdem hört man von immer mehr Fällen, in denen durch die Analyse des Laserstrahls die Laserleistung deutlich gesteigert werden konnte.