BeamWatch AMによる標準化された測定の実現

BeamWatch AMは、Ophir-Spiriconのビームモニタリングシステムファミリーの最新版です。これは、アディティブマニュファクチャリング業界での使用に特化して設計されており、作業面の位置で非干渉のリアルタイムビーム測定を提供します。右の表1に詳述されている仕様を満たしていることを確認するために、厳格なテストが実行されています。

著者:

David K. Moser, M.Sc. Physics - Optical Engineer & Jed Simmons, Ph.D. - Physicist

レイリー散乱技術

他のBeamWatchモデルと同様に、リアルタイムの非接触測定は、最も一般的な空気分子である窒素と酸素のレイリー散乱特性に依存して得られます。これは、化学溶液分析から大気LIDAR研究に至るまで、あらゆる分野で利用される十分に文書化された技術です。ビームの経路を横切るように配置されたカメラで比例散乱レーザー光を捕捉することにより、BeamWatchはカメラのFOV全体に沿ってスリット測定スライスを同時にスキャニングするのと同等の結果を提供できます。

表 1. BeamWatch AM仕様

精度について広範囲にテスト済み

レイリー散乱の生データは実際のビーム測定値を比例的に表しているだけであるため、信号対雑音比を改善し、分散を減らすために何らかの処理が実行されます。他のアプリケーションと同様に、このプロセスにはいくつかの基本的なデータフィルターとバックグラウンドの減算が含まれており、報告される測定値がビームを正確に表現していることを確認します。さらに、研究のために選択されたビームセクションのエッジと中心の間の信号対ノイズの差を考慮するために、独自のデータモデルを利用します。この違いは、レンズの選択、ビーム拡がり角、BeamWatch AMデバイス自体の設計などの要因の組み合わせによって発生します。システム全体は、さまざまな条件下での精度と再現性を確保するために広範囲にテストされています。当社のISO 11146準拠フルコンタクトスキャニングスリットビームプロファイラーであるNanoScan 2とBeamWatch AMレイリー散乱ビームプロファイラーで取得した測定値を比較すると、互いに同様の結果が示されています。これを以下のグラフ (表2) に示します。

表 2. NanoScan 2 (NS 2) とBeamWatch AM (BW AM) データの比較

国際規格への準拠

NanoScan 2は、図2の測定に関してISO 11146に準拠していることが以前に示されています (詳細については、NanoScan 2ユーザーガイドを参照)。上記の直接比較が、BeamWatch AMの準拠主張の基礎となるということになります。BeamWatch AMは確立された標準が現在存在しない最先端のテクノロジーであるため、これが最良のアプローチです。測定プロセス全体で使用されるさまざまな方法がISOに準拠し、結果が別の検証可能な準拠ソース (この場合は NanoScan 2) と一致することを示すことで、ISO 11146への準拠を主張できます。

背景減算後のベースライン補正に使用される前述の独自モデルの最大のコンポーネントには、ISO 11146-3セクション 3.4で推奨されているフーリエ変換方法が含まれます。BeamWatch AMはウエストを含むビームのかなりの長さを一度に測定するため、ビームウエストの位置、ビーム幅、拡散角、ビーム伝播比の初期決定は伝播軸に沿った双曲線フィットから簡単に得られます。この手順は ISO 11146-1セクション 9で詳しく説明されており、NanoScan 2を使用してビームに沿った数百の位置を個別に測定することと機能的に同等です。ここで注目すべき2つの項目は、フィッティング方法の位置決め要件と、この方法が非点収差または単純に非点収差のビームにのみ適用されるという事実です。後者の注意点については、ターゲットユーザーがラウンドファイバーを使用しており、デリバリーヘッドによって引き起こされる非点収差が単純なものであることを想定しています。自分のビームがBeamWatch AMで使用するのに適切な候補であるかどうかはユーザー判断になります。図1の右側に動作スペースチャートが示されています。

図 1. BeamWatch AM動作スペースチャート

ビームがISO準拠のフィットに必要なすべてのデータポイントを提供するには、ウエストの少なくとも片側のレイリー全長2つ以上がカメラの視野内に収まるようにウエストを配置する必要があります。これには、特定の条件下でビームウエストの中心から外れた位置決めが必要になる場合がありますが、そのような位置決めは測定精度に悪影響を及ぼしません。フィットの初期測定は移動スリット法に基づいており、ISO 11146-3セクション 4、式 #69に従ってD4σの補正が適用されます。したがって、方程式 #63とM2の定義を適用することで、修正されたM2と拡散に到達できることがわかります。ソフトウェアは、このデータフィッティング要件が満たされるたびに測定値を ISO として強調表示し、フィッティングが失敗した場合はこれらの変数の単純な直接計算に戻ります。これは、ユーザーがBeamWatch AMユニットに対するレーザーの相対位置を調整する必要があるかどうかを知るのに役立ちます。

結論

実証されているように、BeamWatch AMレイリー散乱測定テクノロジーを使用すると、ビームをセンサーに入射させずにレーザービームの特性を分析できます。この技術はまだ初期段階にあり、データ収集と処理のアプローチに関する公式標準が存在しないにもかかわらず、広く受け入れられているNanoScan 2のスキャニングスリット技術による結果との比較により、BeamWatch AMが正しく使用された場合、ISO準拠の測定を達成できることが実証されています。データの取得と改良に使用される方法をさらに調査することで、BeamWatch AM測定が ISO 11146規格を満たしているという主張がさらに検証されます。