Laserstrahlprofil-Messgeräte: Neue Anwendungen bei Nicht-Laserlichtquellen

Insgesamt ersetzen LEDs in vielen Industrien traditionelle, breitbandige Lichtquellen, das Anwendungsspektrum der effizienten Leuchtmittel wird immer vielfältiger. Gleichzeitig steigt auch die Nachfrage nach entsprechenden Messmethoden, um deren Qualität sicherzustellen. Messgeräte aus der Lasertechnik bieten die Möglichkeit, schnell und präzise Messungen der Lichtleistung sowie der Intensitätsverteilung durchzuführen. Im Bereich der Leistungsmessung eignen sich kalibrierte Photodioden hervorragend. Um die räumliche Intensitätsverteilung anderer Lichtquellen zu prüfen und zu bewerten, lassen sich Strahlanalyse-Systeme – wie sie weltweit eingesetzt werden, um die Qualität von Lasern und Lasersystemen im Rahmen von Forschung, Entwicklung, Produktion zu prüfen – effizient nutzen. Wie das funktioniert und in welchen Anwendungen die Technik genutzt wird, zeigt der Artikel.

 

Funktionsweise eines Laserstrahlanalyse-Systems
Laserstrahlanalyse-Systeme setzen sich klassischerweise aus zweidimensionalen Sensor Arrays, Optiken, Abschwächern sowie einer Software zusammen, die die flächige bzw. räumliche Lichtverteilung darstellt, analysiert und aufzeichnet. Das Herz eines Laserstrahlanalyse-Geräts bildet eine hochwertige, sehr sensitive CCD- oder CMOS-Kamera, die auf folgende Kriterien geprüft wird:

  • Linearität über das gesamte Spektrum
  • Gleichmäßiges spektrales Ansprechverhalten
  • Präzision

Darüber hinaus darf das Sensor Array keine Fehler oder beschädigte Pixel aufweisen, so dass alle Lichtimpulse in elektrische Signale umgewandelt werden können. Bei der Kamera wird für diesen Zweck das Schutzglas sowie der Infrarot-cut-off-Filter entfernt, so dass keine störenden Optiken das Bild verzerren oder die spektrale Empfindlichkeit einschränken. Kameras zur Strahlprofil-Analyse liefern Bilder mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 58dB oder besser und haben eine Auflösung von typisch 12 bis 16 Bit in besonderen Fällen auch mehr. Das eigentliche Gehirn der Lösung bildet die Laserstrahlanalyse-Software. Sie liefert dem Anwender grafische Darstellungen, die die Intensität der Lichtverteilung anschaulich zeigen. Falschfarben-, zweidimensional und isometrisch dreidimensionale Displays stellen die unterschiedliche Verteilung der Lichtintensität der Strahlquelle bei der Messung dar. Mittels weniger, relativ einfacher Modifikationen lassen sich daraus Messsysteme aufbauen, die bei der Produktion, der Ausrichtung und der Prüfung von lichtemittierenden Systeme wie z.B. LEDs , Dental- oder Sterilisationsleuchten genutzt werden können.

 

 

 


Abb. 1: SP-300 USB 3.0 Silizium CCD High Resolution Kamera in Kombination mit BeamGage

 

Polymerisationsleuchten im Dentalbereich
Ein Beispiel für die sinnvolle Nutzung von Strahlprofilmessgeräten bei Nicht-Laserlichtquellen ist die Anwendung bei der Analyse von Polymerisationsleuchten in der Dentaltechnik. Diese handlichen monochromatischen oder Mehrfach-Wellenlängen-Geräte werden weltweit in Zahnarztpraxen genutzt. UV und sichtbares Licht härten die Füllungen und ermöglichen damit langhaltende, farblich passende Zahnreparaturen. Komplette und gleichmäßig aushärtende Füllungen können - dank neuer Harz-Gemische und der Polymerisationsleuchten mit hoher Beleuchtungsintensität - individuell hergestellt werden.

 

Die Verteilung des Lichts durch diese Quellen kann durch ein modifiziertes Laserstrahlprofil-Messgerät schnell ermittelt werden. Für diese Anwendungen verwenden die Messgeräte eine Streuscheibe und eine abbildende Optik.

 


Abbildung 2: Eine Streuscheibe und eine Kamera bilden ein System zur Messung einer hoch divergenten Lichtquelle. Filterräder können genutzt werden, um optische Bandpassfilter in den Strahlengang einzubringen, mit deren Hilfe die Ausgangsleistung jeder Quelle abhängig von der Wellenlänge gemessen werden kann.

 

Die Streuscheibe wird in der Regel in der gleichen Entfernung oder auf der gleichen Ebene im Strahlengang positioniert, in dem das Licht später angewendet werden soll. Das Material der Streuscheibe muss lichtdurchlässig und diffusierend sein, um keine eigene Struktur einzubringen. Die Materialtextur muss kleiner sein als das, was das darstellende System auflösen kann. Bei der Auswahl der Streuscheibe gilt es auch darauf zu achten, dass sie während der Prüfung nicht durch das Licht beschädigt oder entfärbt werden kann.

 

In Abbildung 2 trifft das Licht der Polymerisationslampe auf die Streuscheibe. Eine Optik bildet die Aufnahme der Streuscheibe auf das Detektorarray der Kamera ab. Die Intensitätsverteilung der Lichtquelle wird von der Kamera aufgenommen und von der Systemsoftware analysiert und dargestellt. Abbildung 3 zeigt das daraus resultierende Strahlprofil.

 


Abbildung 3: Strahlprofil einer Polymerisationsleuchte

 

Abbildung 4 zeigt die Ausgangsleistung von zwei LED-basierten, Batterie-betriebenen Polymerisationsleuchten, die mit einem modifizierten Strahlprofilmessgerät von Ophir Spiricon gemessen wurden. Das Falschfarben-Schema zeigt die variierenden Niveaus der Strahlungsdichte beim Auftreffen auf die Streuscheibe. Die Einheiten für die Lichtstruktur werden als Prozent der Energie oder Prozent der maximalen Energiespitzen definiert. Die Messungen liefern eine Menge an belichteten Pixeln, auf die die Gesamtleistung verteilt wird. Die gemessene Leistung wird geteilt durch die Gesamtzahl der belichteten Pixel in ihrer jeweiligen Signalstärke und man erhält damit die Intensitätsverteilung. Davon ausgehend kann jedem Pixel gemäß des Flächenwerts eine Leistung zugeordnet werden.

Abbildung 4: Profile von LED-basierten, Batterie-betriebenen Polymerisationsleuchten.

Das Gerät auf der linken Seite verfügt über eine integrierte optische Gesamtleistung von 310 mW und eine durchschnittliche Leistungsdichte von 3,26 Watt/cm2. Das Produkt auf der rechten Seite verfügt über eine Gesamtleistung von 714 mW und eine durchschnittliche Strahl- oder Leistungsdichte von 1,19 Watt/cm2. Das System kann mit einer Ulbricht-Kugel und einem Silizium- Fotodiodensensor auf die Gesamtintensität kalibriert werden. Die BeamGage Software von Ophir Spiricon ermöglicht es, die integrierte Gesamtleistung zu ermitteln. Sie liefert ein zweidimensionales Bild der Intensitätsverteilung des Lichts. Nach der einmaligen Kalibrierung auf die Gesamtintensität und der Ermittlung des effektiven Pixelabstands, kann jedem Pixel eine Leistungsdichte zugeordnet werden.

 

Räumliche Ungleichmäßigkeiten – in diesem Fall durch die Platzierung der internen Lichtquellen – können klar erkannt und quantitativ gemessen werden. Zahlreiche inkohärente Lichtquellen können sehr effizient mit gängigen Laserstrahlprofil-Systemen vermessen werden. Durch die Zuordnung einer bekannten, extern gemessenen Gesamtleistung (Strahlungsstrom) des Geräts mit dem Strahlprofil-System lassen sich zweidimensionale Darstellungen der Lichtverteilung erstellen. Die Nutzung von Filtern, die die spektrale Durchlässigkeit beschränken, erlaubt die Messung der verschiedenen Emissionen, aus denen sich Lichtleistung des Produkts zusammensetzt. Diese Mess-Systeme erlauben es Herstellern und Anwendern, die Güte der Lichtquelle zu prüfen. Zusätzliche Messungen mit einem Spektrometer bestätigen die relevanten Wellenlängen und gewährleisten, dass sich die spektrale Ausgangsleistung des Geräts im messbaren Bereich der CCD Kamera von 350 bis 1.100 nm und der eingesetzten Optiken bewegt.

 

Best Practices
Einige wichtige Punkte gilt es zu beachten: Jede Wellenlänge sollte separat gemessen werden, da die Ansprechempfindlichkeit einer Silizium-CCD-Kamera spektrale Unterschiede aufweisen. Die Gesamtleistung jedes spektralen Bestandteils sollte eigenständig ermittelt und mit dem räumlichen Profil der jeweiligen Wellenlänge in Beziehung gesetzt werden.

 

Es muss sichergestellt werden, dass die Kamera-Einstellungen zur Belichtung und Verstärkung nicht mehr verändert werden, wenn die Kalibrierung des gesamten Strahlungsflusses, der auf die Streuscheibe trifft, durchgeführt wurde. Diese Einstellungen verändern die Sensitivität der Kamera und damit die Kalibrierung der Lichtquelle.

 

Wenn als Abschwächer Filter eingesetzt werden, müssen diese zu den Profil- und Leistungsmessungen passen und dürfen nach der Kalibrierung nicht mehr verändert werden.

 

Darüber hinaus ist es wichtig, ein Objekt von bekannter Größe als Referenz in die Bildebene zu stellen, so dass die Mess-Software räumlich kalibriert werden kann. Die Mehrzahl der Laserstrahlanalyse-Systeme erlaubt die Skalierung der Pixelgröße per Software, um der verkleinernden optischen Abbildung des bildgebenden Systems Rechnung zu tragen. Die Messungen können auch verfälscht werden, wenn sich die Distanz von Quelle zu Ziel ändert. Nicht das gesamte Licht, das die Quelle verlässt, trifft auf die Streuscheibe. Wird der Abstand von der Lichtquelle zur Streuscheibe vergrößert, nimmt der Anteil des Lichts der divergenten Quelle, das tatsächlich auf die Scheibe trifft, ab. Möchte man verschiedene Lichtquellen vergleichen, muss der Abstand gleich bleiben.

 

Diese Vorgehensweise eignet sich auch, um geringe Ausgangsleistungen von therapeutischen Lichtquellen zu messen. Abbildung 5 beschäftigt sich mit LED-Matrizen, die bei Produkten für die klinische Photobiomodulation eingesetzt werden. Auch hier werden die Anteile verschiedener Wellenlängen kombiniert, die zuvor separat vermessen wurden. Die Darstellungen können zusammengeführt und die einzelnen Leistungsmessungen hinzugefügt werden, um eine komplette Übersicht der Intensitätsverteilung der Komponente zu erhalten.

 


Abbildung 5: 3D-Darstellung der Strahlungsdichte einer Matrix mit monochromatischen LEDs.

 

Bewährte Methoden für neue Anwendungen
Klassische Laserstrahlprofil-Messgeräte können auch zur effizienten und effektiven Messung inkohärenter Lichtquellen genutzt werden. Es erfordert nur einige grundlegende Kenntnisse über die eingesetzten Komponenten zur Messung des Lichts und eine sorgfältige Durchführung: Die Wiedergabegenauigkeit des räumlichen Bildes und Informationen zur Strahlungsdichte müssen exakt bewahrt werden. Qualitative – und zum Teil auch quantitative – Messungen können durchgeführt werden, wenn die räumlichen Parameter während des gesamten Prozesses konstant bleiben. Es muss sich dabei nicht um die vollständige Ausleuchtung handeln. Für eine zuverlässige Messung genügt es, einen definierten, gleichbleibenden Teil des Lichts zu betrachten.

 

Kevin Kirkham/Christian Dini