Fasergekoppelt statt freistrahlend

Fasergekoppelt statt freistrahlend

Verbesserung der Strahlmodellierung mittels Glasfasern

In Systemen zur industriellen Bildverarbeitung hat sich die Verwendung von freistrahlenden Laserdioden als Lichtquelle über die letzten Jahre etabliert. Allerdings kann die Abbildungsqualität konventioneller freistrahlender Laserdiodenquellen den fortlaufend steigenden Anforderungen an die Projektionsqualität des Lasermoduls meist nicht genügen. Dagegen verspricht der Einsatz fasergekoppelter Singlemode-Laserdioden erheblich verbesserte optische Projektionseigenschaften.
Seit etlichen Jahren werden Linienlaser als strukturierte Beleuchtung für die industrielle 3D-Bildverarbeitung eingesetzt. Hierbei stellt die Lasertriangulationstechnik eine der häufigsten Anwendungen dar. Klassische Triangulationssysteme bestehen aus einer Kamera, einem Laser für die monochrome Zeilenbeleuchtung und einer Bildverarbeitungssoftware. Im Vergleich zur Kamera, Objektiven und der Software wird dem Laser meist wenig Beachtung geschenkt, obwohl dieser eine Kernkomponente des Messverfahrens darstellt. Beim Einsatz eines Linienlasers müssen unterschiedliche optische Parameter berücksichtigt werden, z.B. die Linienhomogenität, -geradheit, -breite und Koaxialität des Laserstrahles, die Strahlqualität (M2), und möglicherweise das Streulicht. Alle genannten Parameter beeinflussen unmittelbar die Messgenauigkeit des Gesamtsystems. Nachteilig ist z.B. eine inhomogene Leistungsverteilung entlang der Linie. Dies kann zur Folge haben, dass die Kamera in bestimmten Bildabschnitten keine verwertbaren Informationen, aufgrund von zu hoher oder zu geringer Leistung, wahrnehmen kann. Je größer die Intensitätsschwankung in der Projektion ist, umso größer muss der Dynamikbereich der Kamera sein.

Projektionseigenschaften freistrahlender Linienlaser

Zum Einsatz kommen in heutigen Messsystemen ausschließlich sogenannte Freistrahl-Laser. Der typische Aufbau besteht aus einer Laserdiode, einer asphärischen Kollimationsoptik und einem Liniengenerator. Dank industrietauglicher Spezifikationen von freistrahlenden Lasern, z.B. Temperaturbetrieb bis 60°C, Schutzgehäuse, einfache Integrationen in Systemen usw. sind Laser in industriellen Anwendungen bereits sehr verbreitet. Dank kompakter Bauformen sind Freistrahler einfach in der Handhabung und ohne großen Aufwand in vorhandene Systeme zu integrieren. Allerdings sind diesen Modulen aufgrund Ihres Aufbaus hinsichtlich der Projektionsqualität Grenzen gesetzt. Leider können selbst mit großem Aufwand die teilweise schlechten Strahleigenschaften von Laserdioden nicht ausreichend und zufriedenstellend kompensiert werden. Dies betrifft vor allen Dingen die ’slow-Axis‘ des kollimierten Laserstrahls.

Strahlqualität beeinflusst Linienhomogenität

Die Linienhomogenität ist ein Parameter, der stark von der Strahlqualität der Laserdiode beeinflusst wird. Nimmt man eine beugungsbegrenzte Kollimationslinse an, bestimmen die Linienoptiken (z.B. Powell-Linsen) und der aus der Laserdiode erzeugte Strahl die Intensitätsverteilung. Durch das schlechte Strahlprofil der Laserdiode, das bis zu M2=2 in der slow-Axis liegen kann, lässt sich eine weitere Optimierung der Linienhomogenität nur schwer umsetzen. Daher bieten etwa 80 bis 90% der auf dem Markt angebotenen Linienlaser für die Bildverarbeitung eine maximale Linienhomogenität zwischen ±20 und ±40%. Die Liniengeradheit ist aber eine äußerst wichtige Spezifikationen wenn eine hohe Tiefenauflösung mit einem Triangulationssystem erwünscht ist. Die exakte Positionierung der Linienoptik vor der Ellipse des kollimierten Laserstrahls ist hierzu maßgeblich. Wird diese zu einer der beiden Strahlachsen verdreht positioniert, so wird statt einer geraden Linie ein ‚S‘ projiziert. Im Falle eines zirkularen Strahlprofils hingegen ist die Justage unkritischer, da die fast- und die slow-Axis identisch sind. Beim Querschnitt der Linien sind die Linienbreite sowie die Qualität der Gaussverteilung zu betrachten. Aufgrund des relativ großen Öffnungswinkels in der fast-Axis der Laserdiode ergibt sich ein weiteres Problem: Um zu vermeiden, dass der Laserstrahl im Gehäuse abgeschnitten wird und dadurch Beugungsmuster entstehen, dürfen ausschließlich Linsen mit einer großen numerischen Apertur und einer kleinen effektiven Brennweite eingesetzt werden. Die relativ hohen mechanischen Toleranzen des Laserdiodengehäuses und die meist nicht zentrale Positionierung des Emitters im Gehäuse verursachen zusätzliche Ungenauigkeiten in der optischen Achse. Dies bedeutet, dass der Laser nicht mehr koaxial zum Gehäuse abstrahlt und einen Winkelfehler aufweist. Hierbei spricht man von Koaxialität des Laserstrahles, welche typischerweise bei bis zu ±10mrad liegen kann.

Singlemode-fasergekoppelte Laser als Lichtquelle

Neben der Optimierung von freistrahlenden Linienlasern hat sich Z-Laser mit der Entwicklung eines fasergekoppelten Linienlasers befasst (Produktfamilie ZFSM). In dem neuen Laser wurde die Lichtquelle durch einen optischen Singlemode-Wellenleiter (Faser) ersetzt. Wie Bild 1 zeigt, wird die Laserquelle, die auf die Treiberplatine moniert ist, mit dem Optikkopf durch eine monomodige Faser verbunden. Die Faser, die den Laserstrahl von der Diode zu der Optik leitet, kann etliche Meter lang sein. Der Laserstrahl wird durch ein Linsensystem in die Faser eingekoppelt. Der geringfügig größere Brechungsindex des Faserkerns gegenüber dem Faser-Cladding bewerkstelligt die Führung des Strahls im Faserkern bis zum Ende der Faser. Der Durchmesser des Faserkernes wird so bestimmt, dass nur die sogenannte Fundamental-Mode durch die Faser transportiert wird. Der typische Durchmesser von Faserkernen für sichtbares Laserlicht liegt deutlich unter 10µm, z.B. für 660nm wird ein 4µm-Faserkern mit einer NA von circa 0,1 für die Singlemode-Übertragung verwendet. Wenn man die Fasereigenschaften für die Übertragung der Fundamental-Mode richtig wählt, wird am Austritt ein perfekt kreisförmiges gaußsches Strahlprofil mit einer Strahlqualität bis zu 1,05 erzeugt. Kommerzielle Fasern haben eine typische NA von ca.0,1-0,13, die damit deutlich geringer ist als die NA von typischen Laserdioden. Diese NA ist gültig für alle sichtbaren bis nahinfraroten Wellenlängen. Zum Vergleich zeigt Tabelle 1 die Eigenschaften typischer freistrahlender bzw. fasergekoppelter Laser: Im Vergleich zu freistrahlenden Linienlasern sieht man die großen Vorteile von fasergekoppelten Lasern hinsichtlich der optischen Projektionsqualität. Eine Linienhomogenität von besser als ±10% und einer Liniengeradheit von besser als 0,01% der Linienlänge ist mit dem ZFSM erhältlich. Aktuelle M2-Messung ergeben reproduzierbare Werte von M2=1,06 (Bild 2). Die Koaxialität der Projektionsachse liegt bei ±2mrad ohne zusätzlichen Aufwand für die aktive Ausrichtung der Optiken. Die optischen Eigenschaften der Faserlichtquelle ermöglichen die Projektion von Linien unter 15µm Linienbreite. Dabei werden Beugungsmuster fast vollständig unterbunden (Bild 3). So werden nun auch Mikrolinien für anspruchsvolle Lasertriangulationen möglich, etwa für die Wafer-Inspektion oder für andere Mikrometerstrukturen.

Entkoppelter Optikkopf

Während der freistrahlende Laser ein kompaktes System darstellt, welches die Treiberschaltung, Laserdiode, und die Optik in einem Gehäuse integriert, wird im ZFSM die Laserdiode mit ihrer Treiberelektronik von der Optik entkoppelt. Für viele Anwendungen bietet diese Aufbauweise Vorteile. Typische Beispiele sind Umgebungen mit hohen Temperaturen oder hohen elektromagnetischen Feldern. Die empfindliche Laserdiode mit der Treiberelektronik kann genügend weit entfernt untergebracht werden, sodass nur der Optikkopf den rauen Umweltbedingungen ausgesetzt ist. Je nach den Anforderungen an die optische Projektion kann der Optikkopf sehr klein ausfallen, was neue Anwendungsmöglichkeiten für die Maschineninspektion oder für kleine Anwendungs-Geometrien bietet. Die Treiberelektronik enthält neben den Interfaces umfangreiche Diagnose- und Sicherheitsfunktionen sowie eine Mikrocontroller-basierte Lasersteuerung. Versorgungsspannungen von 5 bis 30V sind möglich und es stehen Erweiterungsoptionen zur Verfügung (TEC, Pulsgeneratoren, zusätzliche Funktionsmodule). Allerdings sind einige Einschränkungen zu beachten. Aufgrund der begrenzten Kopplungseffizienz von Laserdiode in die Faser, die bei circa 50% liegt, kann der ZFSM nicht mit gleich hohen optischen Leistungen wie freistrahlende Laser angeboten werden. Außerdem ist die Ausgangsleistung nach der Faser vom Biegeradius der Faser abhängig. Eine starke Biegung der Faser vergrößert den Leistungsverlust in der Faser, da ein Teil des Strahles durch das Faser-Cladding nach außen transmittiert wird. Für Anwendungen, die eine stabile Ausgangsleistung benötigen, ist eine statische Installation daher notwendig. Aufgrund des Doppelbrechungseffektes von konventionellen Fasern sowie einer Abhängigkeit der Polarität des Ausgangslichtes von mechanischen Vibrationen ist für Applikationen, die eine sehr stabile Polarität benötigenden, der Einsatz von polarisationserhaltenden Fasern notwendig.

Fazit

Durch den Einsatz fasergekoppelter Singlemode-Laserdioden in der industriellen Bildverarbeitung lassen sich die optischen Projektionseigenschaften erheblich verbessern, und somit die Grundlage für eine höhere Projektionsqualität in vielen Anwendungsbereichen bereitstellen. Mit dem ZFSM-Laser wird eine Produktfamilie vorgestellt, die dank der zur Verfügung stehenden Auswahl an Wellenlängen und Optiken viele Kombinationsmöglichkeiten bietet und somit vielfältige Anwendungsperspektiven eröffnet – nicht nur als Linienlaser, sondern auch als Strahlquelle für allgemeine Inspektionsaufgaben, die eine strukturierte Beleuchtung benötigen. Aufgrund seiner optimierten Strahlqualität eignet sich der Laser auch für weitere messtechnische Anwendungen, wie etwa in der Gas- und Partikelanalyse, Maschineninspektion, Mikrostrukturanalyse, interferometrischen Messtechnik, sowie für biomedizinische Geräte.

Z-Laser Optoelektronik GmbH
www.z-laser.com

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