Insider-Tipp: Wie Sie UV-Licht mit CCD-Kameras sichtbar machen

Ist es überhaupt möglich, einen UV-Laser mittels einer CCD-Kamera mit Silizium-Sensor zu vermessen? Prinzipiell lautet die Antwort darauf: Ja, das ist möglich. Allerdings trägt die direkte UV-Strahlung den Silizium CCD-Chip mit der Zeit ab. Die Ablation addiert sich auf und hängt von der Intensität, der Wellenlänge und der Bestrahldauer des Sensors ab. Will man UV-Licht vermessen, ohne Schaden am CCD-Chip anzurichten, bildet man den Stahl am besten nicht direkt auf dem CCD-Sensor ab, sondern verwendet einen UV-Bildwandler. Risiko dabei: Ein Bildwandler oder Abschwächer kann dem Strahl Abweichungen oder Fehler aufprägen. Diese Fremdeinflüsse können die Ergebnisse der Strahlmessung und damit des angezeigten Profils verändern, so dass der Unsicherheitsfaktor der ermittelten Ergebnisse steigt. Ophir Spiricon bietet eine Vielzahl an Komponenten rund um die Strahlmessung an und verfolgt bei allen Entwicklungen das Ziel, den Laserstrahl nicht zu verändern. Im Rahmen dieses Artikels stellen wir Ihnen verschiedene Messoptionen vor, doch zunächst kehren wir noch einmal zurück zur direkten Abbildung eines UV-Strahls inklusive der Abschwächung.

 

Direkte Abbildung
Bei der direkten Abbildung von UV-Licht muss der Sensor unbedingt vor einer - wenn auch nur kurzzeitigen überhöhten - Bestrahlung mit leistungsstarkem UV-Licht geschützt werden, da diese den Sensor sofort schädigen kann (wie Laser im Bereich des sichtbaren Lichts oder IR auch). Kann der Anwender die Energie oder Leistung des UV-Lasers nicht über direkte Einstellungen senken, müssen dafür beispielsweise UV-geeignete Strahlteiler aus Quarzglas zusammen mit Abschwächern verwendet werden. Nach der Abschwächung sollte der Anwender sicherstellen, dass das gelieferte UV-Signal noch ausreicht, um ein Strahlprofil zu erstellen.

 

Viele UV-Abschwächer sind reflektierend; der Anwender sollte diese Reflexe entsprechend vermeiden oder eindämmen. Generell sollte nicht in einem Leistungsbereich gearbeitet werden, der zur Signalsättigung der Kamera führt. Bei Wellenlängen unter 350nm empfehlen wir Bildwandler. Die meisten Kamerahersteller platzieren ein Schutzglas vor ihre Sensoren, das UV-Licht unter 400nm nicht hindurchlässt. Ophir Spiricon entfernt dieses Schutzglas in der Regel vom CCD-Chip, um Messungen im UV zur ermöglichen und darüber hinaus auch in anderen Wellenlängenbereichen das Entstehen störender Interferenzstreifen zu vermeiden. Der entfensterte CCD-Chip ist dann allerdings nicht mehr geschützt und darf keinesfalls berührt oder geputzt werden

 


Abb. 1: Hier sehen Sie einen 248 nm Laser, der direkt auf einer CCD-Kamera abgebildet wird.

 

Zerstörschwellen
Viele Anwender fragen, wie lange es dauern wird und bei welchen Energie-/Leistungseinstellungen der Sensor durch langsame Ablation beschädigt wird, wenn er täglich oder wöchentlich direktem UV-Licht, selbst wenn dieses abgeschwächt wird, ausgesetzt wird. Da es dazu keinerlei Studien gibt, bleibt die Antwort auf diese Frage offen. Auch die Hersteller liefern keine CCD-Ablations-Grafiken oder andere Grenzwerte, die einen klaren Zusammenhang zwischen den Laserparametern und der Ablation aufzeigen. Selbst wenn mit minimaler UV Bestrahlung gearbeitet wird, kann man davon ausgehen, dass das UV-Licht den Sensor auf die Dauer schädigen wird.

 

Indirekte Abbildung
Wie schon zuvor dargestellt, empfiehlt Ophir Spiricon die Nutzung von Bildwandlern für Wellenlängen kleiner als 350 nm. Wenn ein solcher Anwendungsfall vorliegt, stehen unsere Produktspezialisten gerne beratend zur Verfügung. Nachfolgend finden Sie einige Beispiele zu unseren Komponenten, die Ihnen Ihre Messaufgabe deutlich vereinfachen:

 

Scheiben und Linsen zur Bildwandlung

Wir bieten Kombinationen aus abbildenden Objektiven und planen UV-Konvertern mit Abmessungen bis 100 x 100mm. Der Konverter wird dazu an geeigneter Stelle in den Strahlengang eingebracht und der Strahl dann auf den CCD-Chip abgebildet. Die Konverter sind für Energiedichten etwa von 1mJ/ cm2 bis 20mJ/ cm2 ausgelegt. Dieses Verfahren eignet sich in der Regel nicht für fokussierte Laserstrahlung und lässt sich auch nicht bei einer Wellenlänge von 193 nm nutzen. Objektive mit 25 mm oder 50 mm Brennweitewerden im Paket mit C-Mount Abstandsringen angeboten.
Abb. 2: Beispiel einer Kamera mit Linse

Integrierte wiederabbildende UV-Bildwandler
Darüber hinaus sind integrierte, wiederabbildende UV-Bildwandler in strahlvergrößernden oder strahlverkleinernden Varianten nützlich, wie die Beispiele unten zeigen. Zusätzliche Strahlteiler sind verfügbar. Diese integrierten Konverter arbeiten im Bereich von 193nm bis 360nm.

 


Abb. 3: Querschnitt durch einen 4-fach reduzierenden UV-Bildwandler

 

 

Abschwächer als Zubehör
Unten sehen Sie als Beispiel einen UV-Filter mit C-Mount-Montagegewinde. Die Abschwächungseinheit wurde hier auf eine BeamGage CCD-Kamera montiert.

 


Abb. 5: BeamGage CCD-Kamera mit UV-Filter

 

Diese UV-Filter haben eine Zerstörschwelle von 100 W/cm2 bei Dauerstrich und 20 mJ/cm2 bei gepulsten Lasern mit einer Pulsbreite im Nanosekunden-Bereich, ohne dass Strahlveränderungen entstehen Wird eine größere Abschwächung benötigt, bieten wir verschiedene unbeschichtete, UV-fähige Strahlteiler die die Energie/Leistung ihres Lasers reduzieren können.

 

Eine Kombination sehen Sie in Abbildung 6. Hier ist ein LBS-400 auf einer Pyrocam IV montiert – eine UV- und IR-Kamera. Als UV-Version bieten wir die Kombination aus doppeltem Strahlteiler und UV-Filtern mit einer freien Apertur von 31,75mm an.

 


Abb. 6: Pyrocam IV mit Erweiterung zu UV-Messung

 

Wollen Sie die dritte Harmonische eines YAG-Lasers abbilden, bieten wir dafür einen 355nm-Filter mit C-Mount-Montagegewinde. Er lässt 355nm durch, blockiert jedoch Strahlen mit 532 und 1064nm.

 


Abb. 7: Spezifikationen des 355nm-Filters

 

Unten sehen Sie einen UV-geeigneten Strahlteiler mit C-Mount-Montagegewinde, der sich für Wellenlängen von 200nm bis zu 2,5μm eignet.

 


Abb. 8: Kamera mit 4-fach Strahlweiter und Strahlteiler

 

Schlitz-basierte UV-Profiler
Zusätzlich zu den Kameras bietet Ophir Spiricon ein Schlitz-basiertes Profilmessgerät an, das ebenfalls zur Analyse von UV-Laserstrahlen genutzt werden kann.

 


Abb. 9: NanoScan2

 

Fazit
Die Liste geeigneter Produkte zur Messung von Lasern im UV-Bereich ließe sich noch weiter ausführen; ein persönliches Beratungsgespräch zeigt Ihnen aber am besten und schnellsten, die für Ihre Anwendung am geeignetste Lösung auf.

Autor: Chuck Reagan