WO2018233997A1 - Verfahren zur unterstützung einer justage eines strahlaufweiters, justageunterstützungsvorrichtung und strahlaufweiter - Google Patents

Verfahren zur unterstützung einer justage eines strahlaufweiters, justageunterstützungsvorrichtung und strahlaufweiter Download PDF

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WO2018233997A1
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determining
receiving tube
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Jan Werschnik
Stefan Franz
Stefan MÜLLER-PFEIFFER
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Jenoptik Optical Systems GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses

Definitions

  • the present invention relates to a method for supporting an adjustment of a beam expander, to an adjustment support device and to a
  • Beam expander also called beam expander, enlarge or reduce a laser beam diameter. This allows them to match different elements of an optical system. For example, the
  • Laser beam diameter at the output of the laser to a required diameter at the entrance of a lens can be adjusted.
  • Such beam expanders are used primarily in laser material processing.
  • An optimal optical axis of the lens system is the basis for a good
  • the present invention provides an improved method for assisting adjustment of a beam expander, a corresponding one
  • the position of a lens system in a beam expander may differ, for example, from tolerances of an ideal position. Depending on the position of the lens system, different output beam directions and positions can thus arise.
  • the approach presented here now allows the position or positioning of a
  • Beam expander to measure accurately, capture, control and align with a target position.
  • a mechanical or optical reference surface is defined, which is monitored by at least one sensor.
  • suitable measures for correction can be made. This ensures a fast, correct adjustment. In particular, the adjustment can also be carried out unerring by inexperienced users. Likewise, this can make a reliable statement about the beam quality.
  • Temperature sensors scattered light sensors or an infrared camera.
  • the user may, for example, find a simple but helpful
  • a method for supporting an adjustment of a beam expander comprising a receiving tube with a light inlet opening and a light outlet opening and at least one in a beam path between the two
  • Light entrance opening and the light exit opening arranged optical element for changing a diameter of a coupled via the light inlet opening
  • the method comprising the steps of:
  • a beam expander may be understood to mean an optical system for increasing or decreasing a beam diameter of a light beam or light beam, in particular, for example, a laser beam or laser beam.
  • an optical element for example, a lens or a mirror can be understood.
  • the optical element can be arranged displaceably in the receiving tube in the longitudinal direction of the receiving tube.
  • a reference surface may be understood, for example, a mechanically coupled to the receiving tube plate or disc-shaped element or a suitable optical element.
  • an orientation of the optical axis may be predetermined by a normal of the reference surface.
  • An energy distribution can be understood, for example, to mean a distribution of temperature or brightness. In particular, the energy distribution with respect to an aperture of the beam expander can be determined.
  • an operation notice for aligning the Strah be further understood.
  • the support information may represent a direction or length specification for the position correction of the beam propagator, or a yes information or the like.
  • the actual position in the step of determining the actual position can be determined by detecting a temperature and / or brightness distribution of the beam in relation to the cross-sectional area. As a result, the actual position can be reliably determined with relatively little effort.
  • Radiation direction upstream location and / or determined at least two different locations in the longitudinal direction of the receiving tube can be understood as meaning a section of the optical element located in the region of the aperture of the beam expander. Thereby, the accuracy in determining the actual position can be increased.
  • Detection directions along the cross-sectional area can be determined. This results in an at least two-dimensional detection of the actual position along the
  • the actual position in the step of determining is determined by detecting the energy distribution in mutually orthogonal detection directions.
  • the orthogonal detection directions may be, for example, an ordinate and an abscissa of a two-dimensional coordinate system. This allows the determination of the actual position with relatively little computational effort.
  • the approach presented here also provides an adjustment support device for supporting an adjustment of a beam expander, wherein the beam further a receiving tube having a light inlet opening and a light exit opening and at least one arranged in a beam path between the light inlet opening and the light exit opening optical element for changing a diameter of a light via the opening has coupled radiation beam
  • the adjustment support device comprises the following features: a coupled to the receiving tube or coupled reference surface; a sensor device for determining a desired position of the beam along an optical axis of the beam expander by detecting the reference surface and for determining an actual position of the beam along the optical axis by detecting an energy distribution of the beam with respect to a
  • a sensor device may be understood to be a single sensor or an arrangement of a plurality of sensors, such as temperature, photo or scattered light sensors.
  • the sensors can be star-shaped or cross-shaped around a lateral surface of the receiving tube or a peripheral line of the optical
  • An evaluation device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the evaluation device may have an interface, which may be designed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • the sensor device can at least one
  • Temperature sensor and / or at least one photosensor and / or at least one scattered light sensor and / or at least one infrared camera This allows a reliable and accurate determination of the desired and actual positions.
  • Another embodiment may be a special micro- or nanostructuring of the lens surface.
  • This can, for example, be a "mesh" of very fine wires which experience a resistance change as a result of heating. If these wires are connected to an evaluation unit, the position can be determined accurately and quickly, since the thermal inertia of the microwires is low.
  • Sensor panel with at least two sensors for detecting reflections of the
  • the actual position and / or the desired position can be determined by evaluating reflection patterns, in particular a symmetry of the reflection patterns.
  • a pick-up tube having a light entrance opening and a light exit opening; at least one arranged in a beam path between the light inlet opening and the light exit opening optical element for changing a diameter of a coupled via the light inlet opening beam; and an adjustment support device according to any one of the preceding
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and used for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the preceding embodiments especially if the program product or program is running on a computer or device.
  • Figure 1 is a schematic representation of a beam runner according to a
  • Embodiment of the present invention in a starting position
  • Figure 2 is a schematic representation of a beam expander according to a
  • Figure 3 is a schematic representation of a sensor device of Figure 2;
  • Figure 4 is a schematic representation of a sensor device according to a
  • FIG. 5 is a diagram showing a temperature distribution detected by a sensor device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram showing a temperature distribution, detected by a
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a beam expander according to a
  • Figure 8 is a schematic representation of a sensor device of Figure 7;
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a sensor device according to a
  • Figure 10 is a diagram illustrating a brightness distribution, detected by a
  • Figure 1 1 is a schematic representation of a beam expander according to a
  • Figure 12 is a schematic representation of a portion of a beam expander according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic representation of a sensor image of a sensor device according to an embodiment of the present invention with correct
  • Figure 14 is a schematic representation of a sensor image of a sensor device according to an embodiment of the present invention in a slanted coupling
  • Figure 1 5 is a schematic representation of an evaluation device according to a
  • FIG. 16 is a flowchart of a method according to an embodiment of the present invention. In the following description of preferred embodiments of the present invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a beam expander 100 according to one
  • Embodiment of the present invention in a starting position.
  • Strahlaufweiter 100 includes a pick-up tube 102 for receiving a
  • the receiving tube 102 has a light inlet opening 104 to Coupling a beam 106 and a light exit opening 108 to
  • beam 106 comprise a plurality of (rectified) individual light beams.
  • the beam 106 is laser light.
  • the lens system is arranged in a beam path between the light entrance opening 104 and the light exit opening 108 and designed to change a diameter of the radiation beam 106.
  • a dashed line indicates an optimal optical axis 1 10 of the lens system. Tolerances can result in different output beam directions and positions.
  • FIG. 1 shows three different output beam directions of the beam 106 at the
  • Light exit opening 108 located.
  • the beam expander 100 comprises an adjustment support device 1 12 for assisting an operator in the adjustment of the beam expander 100
  • Adjustment support device 1 12 has a reference surface 1 14, which represents an alignment of the optical axis 1 10 and is fixedly connected to the receiving tube 102.
  • the reference surface 1 14 is realized, for example, as a mechanical reference, which is defined by the optical axis 1 10. According to FIG. 1, the optical axis 1 10 extends perpendicular to the reference surface 14.
  • the reference surface 14 is arranged here on the light entry surface 104 of the receiving tube 102.
  • the adjustment support device 1 12 further comprises a sensor device 1 16, which is designed to determine a desired position of the beam 106 along the optical axis 1 10 by detecting the reference surface 1 14 and one
  • Sensor device 1 16 formed to determine an actual position of the beam 106 along the optical axis 1 10 by detecting an energy distribution of the beam 106 in a cross-sectional area of the pickup tube 102 and output an actual value 120 representing the actual position.
  • the adjustment assisting device 1 12 is an internal one
  • Temperature or scattered light sensor implemented as a sensor device 1 16.
  • An evaluation device 122 of the adjustment support device 1 12 is designed to receive the two values 1 18, 120 from the sensor device 16 and output a support information 124 to assist the operator during the adjustment by comparing the two values 1 18, 120.
  • the determination of the desired position or the actual position is effected by a corresponding further processing of sensor signals of the sensor device 1 16 by the evaluation device 122.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a beam expander 100 for use with an embodiment of the present invention.
  • the beam expander 100 essentially corresponds to the beam expander described above with reference to FIG. Illustrated by way of example are a first optical element 200, a second optical element 202 and a third optical element 204 in the form of individual lenses of the lens system.
  • the optical elements 200, 202, 204 are slidably disposed in the pickup tube 102, for example, to the diameter of the
  • Beam 106 to change Similar to FIG. 1, the beam 106 is obliquely coupled into the pickup tube 102 relative to the optical axis 110.
  • the sensor device 16 includes at least one first sensor 206 for detecting the energy distribution of the radiation beam 106 on the first optical element 200, at least one second sensor 208 for detecting the energy distribution of the radiation beam 106 on the second optical element 202 and at least one third sensor 210 for detecting the energy distribution of
  • the sensors 206, 208, 210 are each as temperature sensors for detecting a
  • Temperature distribution along the cross-sectional area of the receiving tube 102 is formed.
  • An additional sensor 212 of the sensor device 1 16 is formed around a
  • Temperature of the receiving tube 102 approximately on a lateral surface of the receiving tube 102 to detect.
  • the temperature of the pickup tube 102 serves, for example, as a reference temperature when detecting the temperature distribution.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the sensor device 1 16 from FIG. 2.
  • the first optical element 200 Shown is the first optical element 200 in front view.
  • the following description of the sensor device 1 16 may also apply analogously to the second or third optical element of the beam expander.
  • the beam 106 such as a 1 / e2 laser beam, is within a valid aperture 300 of the beam expander.
  • the first sensors 206 are arranged in a cross shape, with two of the sensors 206 facing each other in pairs. Thereby, a detection of the actual position of the beam 106 in two different, mutually orthogonal
  • the sensors 206 are distributed around a lens edge 302 of the optical element 200.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a sensor device 16 according to an alternative exemplary embodiment of the present invention.
  • the sensor device 1 16 here has eight instead of four first sensors 206.
  • the sensors 206 are distributed, for example, in a ring shape around the optical element 200 and arranged in pairs opposite one another, in order to enable a detection of the temperature distribution in four different detection directions.
  • the four detection directions are each offset by an angle of 45 ° to one another.
  • FIG. 5 shows a diagram for representing a temperature distribution detected by a sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, for example the sensor device described above with reference to FIG. Shown is a two-dimensional coordinate system for measuring or calculating a
  • An ordinate 500 corresponds to a first detection direction and an abscissa 502 to a second detection direction
  • a point 504 represents the actual position of the beam in the cross-sectional area of the pick-up tube, more specifically in an optically active area of the optical element of Figure 3.
  • the point 504 corresponding to the actual position of the beam lies in a fourth quadrant of the coordinate system.
  • FIG. 6 is a diagram showing a temperature distribution detected by a sensor device according to an embodiment of the present invention. Shown is a coordinate system for more complex calculation models for calculating the centering of the beam expander, in particular by means of distributed in the longitudinal direction of the receiving tube sensors whose respective sensor position on the abscissa 502, for example, in millimeters, is removed. In addition to point 504, two further points 600, 602 are shown, each indicating the actual position of the beam represent different measuring points in the longitudinal direction of the receiving tube, for example on the second and third optical element.
  • FIGS. 5 and 6 show calculation models which are used for determining the
  • a beam position determined therefrom yields, for example, information about the correction, for example via an LED or a display.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a beam expander 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the beam expander 100 substantially corresponds to the beam expander described above with reference to FIG. 2, with the difference that the sensors 206, 208, 210, 212 are not formed as temperature but as photo or scattered light sensors, around the actual position of the beam 106 based on a brightness distribution along the cross-sectional area of the receiving tube 102 to determine.
  • the photo or scattered light sensors are arranged, for example, each in a wreath or cross shape around an outer edge of the optical elements 200, 202, 204, as shown in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the sensor device 16 of FIG. 7.
  • a front view of the first optical element 200 with four first sensors 206 in the form of photo or scattered-light sensors is shown in cross-section analogous to the exemplary embodiment described above with reference to FIG the edge of the optical element 200 are distributed around four
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a sensor device 16 according to an alternative exemplary embodiment of the present invention.
  • the sensor device 16 analogous to the exemplary embodiment described above with reference to FIG. 4, has eight sensors 206 in the form of photodiodes or scattered light sensors for each optical element for detecting stray light or back reflections.
  • the sensors 206 are arranged in a ring around the optical elements, as shown in FIG. 9 using the example of the first optical element 200.
  • the temperature profiles illustrated in FIGS. 3, 4, 8 and 9 can be achieved, for example, by the use of a special microstructure or nanostructuring of
  • Lens surface exist.
  • a "mesh" of finest wires can be used, which are stretched horizontally and vertically over the lens surface and which are designed to change resistance when heated experience. If these wires are connected to an evaluation unit, the position of the heated point can be determined accurately and quickly by evaluating the resistances of the individual wires, since the thermal inertia of the (micro) wires is low. Therefore, determining the center of gravity of the heated spot in the horizontal and vertical directions can be done very easily. In this way, the determination of the position of the heating can be carried out very quickly and precisely, so that an adjustment on the basis of this detected position also takes place very quickly and precisely. A settling time of one based on such an approach
  • Adjustment support device is therefore also very short.
  • FIG. 10 shows a diagram for illustrating a brightness distribution detected by a sensor device according to an exemplary embodiment of the present invention, for example the sensor device described above with reference to FIG.
  • Brightness distribution is analogous to the previously described with reference to Figure 5 temperature distribution in the two-dimensional coordinate system with the axes 500, 502 shown. To calculate the centering of the beam expander here a non-linear scaling is required.
  • Figure 1 1 shows a schematic representation of a beam expander 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the sensor device 1 16 comprises an additional sensor ring 1 100 of at least four photosensors 1 101.
  • the sensor rim 1 100 is the light entrance opening 104, more precisely a light entry surface of the first optical element 200, in FIG.
  • Preceding radiation direction to detect reflections of the beam 106 upon entry into the receiving tube 102 for determining the actual or desired position.
  • the photosensors 1 101 are tuned to an application wavelength of the beam expander 100, for example.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of a section of a beam expander 100 according to an embodiment of the present invention. Shown is the
  • Sensor rim 1 100 of Figure 1 which is realized here as a sensor aperture for passing the beam 106 within an angle determined by a suitable diaphragm geometry angle range.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a sensor image 1300 of FIG.
  • the sensor image 1300 shows the distribution of an illuminance along the optical axis of the beam expander detected by the sensor device.
  • FIG. 14 shows, in contrast to FIG. 13, a schematic representation of a
  • Figure 1 5 shows a schematic representation of an evaluation device 122 according to an embodiment of the present invention.
  • the evaluation device 122 comprises a determination unit 1500 for determining a deviation value 1 502 by comparing the setpoint position with the actual position using the setpoint value 1 18 and the actual value 120. Accordingly, the deviation value 1502 represents a deviation between the setpoint position and the actual position.
  • An output unit 1 504 is configured to use the deviation value 1 502
  • the support information 124 represents, for example, an indication that can be displayed via an LED or a display.
  • the LED lights up green if the temperature or brightness profile detected by the sensor device represents correct alignment of the beam expander, or red if the temperature or brightness profile does not represent correct alignment of the beam expander.
  • an LED traffic light with intermediate stages or the display of a referenced to a reference.
  • FIG. 16 shows a flow chart of a method 1600 according to FIG.
  • the beam expander adjustment method 1600 may be performed using the adjustment support apparatus described above.
  • the desired position of the beam is determined by detecting the reference surface. Likewise, in step 1610, detecting the
  • the deviation value between the actual position and the nominal position is determined by comparing the actual position with the nominal position.
  • the assistance information is output using the deviation value to assist the operator in adjusting the beam expander.
  • a sensor system that has at least one temperature sensor and / or photosensor and / or scattered light sensor is used for this purpose.
  • the sensors are in particular coupled to one another and networked in order to be able to respond to the smallest deviations and to carry out correction adjustments.
  • the data acquisition for correction is based on the reference area 1 14.
  • the beam expander 100 has at least one adjusting diaphragm with sensors, also referred to above as a sensor rim 1 100.
  • the acquisition is done by IR camera images using IR cameras, IRA / IS cameras or scattered light sensors.
  • calculation models are used which yield the beam position determined therefrom and finally provide the information for the correction.
  • Optics and sensors of the optical system are in particular according to the
  • Reference surface 1 14 positioned.
  • the reference surface 1 14 is about a mechanical or optical reference, through which a very accurate adjustment is possible.
  • the photosensors are directed, for example, to optically active surfaces or arranged thereon, for example on individual optics, lenses or diaphragms. Also possible is a combination of temperature and photosensors.
  • Embodiment be supplemented by features of another embodiment.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters (100), der ein Aufnahmerohr (102) mit einer Lichteintrittsöffnung (104) und einer Lichtaustrittsöffnung (108) und zumindest ein in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung (104) und der Lichtaustrittsöffnung (108) angeordnetes optisches Element (200, 202, 204) zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung (104) eingekoppelten Strahlenbündels (106) aufweist. Bei dem Verfahren wird eine Sollposition des Strahlenbündels (106) entlang einer optischen Achse (110) des Strahlaufweiters (100) durch Erfassen einer mit dem Aufnahmerohr (102) gekoppelten Referenzfläche (114) sowie eine Istposition des Strahlenbündels (106) entlang der optischen Achse (110) durch Erfassen einer Energieverteilung des Strahlenbündels (106) in Bezug auf eine Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs (102) bestimmt. Durch Vergleichen der Ist-mit der Sollposition wird eine Abweichung zwischen der Ist-und der Sollposition repräsentierender Abweichungswert ermittelt. Schließlich wird unter Verwendung des Abweichungswertes eine Unterstützungsinformation (124) zur Unterstützung eines Bedieners bei der Justage ausgegeben.

Description

Verfahren zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters,
Justageunterstützungsvorrichtung und Strahlaufweiter
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters, auf eine Justageunterstützungsvorrichtung und auf einen
Strahlaufweiter.
Strahlaufweiter, auch Beam Expander genannt, vergrößern oder verkleinern einen Laserstrahldurchmesser. Dadurch ermöglichen sie, verschiedene Elemente eines optischen Systems aufeinander anzupassen. So kann beispielsweise der
Laserstrahldurchmesser am Ausgang des Lasers an einen benötigten Durchmesser am Eingang eines Objektivs angepasst werden. Solche Strahlaufweiter kommen vor allem in der Lasermaterialbearbeitung zum Einsatz.
Eine optimale optische Achse des Linsensystems ist Grundlage für ein gut
funktionierendes optisches System. Beim Einbau eines Strahlaufweiters sollte dieser korrekt justiert werden, d. h. idealerweise auf der optischen Achse liegen. Der Anwender möchte darüber hinaus auch wissen, ob die Strahlqualität nach Austritt aus dem
Strahlaufweiter noch in Ordnung ist.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters, eine entsprechende
Justageunterstützungsvorrichtung sowie einen verbesserten Strahlaufweiter gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die Stellung eines Linsensystems in einem Strahlaufweiter kann beispielsweise durch Toleranzen von einer Idealposition abweichen. Je nach Stellung des Linsensystems können somit unterschiedliche Ausgangsstrahlrichtungen und -lagen entstehen. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht es nun, die Stellung oder Positionierung eines
Strahlaufweiters exakt zu messen, zu erfassen, zu kontrollieren und mit einer Sollposition abzugleichen. Hierzu wird eine mechanische oder optische Referenzfläche definiert, die durch mindestens einen Sensor überwacht wird. Bei Abweichen von der Sollposition können geeignete Maßnahmen zur Korrektur veranlasst werden. Dadurch kann eine schnelle, korrekte Justage sichergestellt werden. Insbesondere kann die Justage auch von ungeübten Anwendern zielsicher durchgeführt werden. Ebenso kann dadurch eine zuverlässige Aussage über die Strahlqualität getroffen werden. Somit kann die
Inbetriebnahme des Strahlaufweiters besonders schnell erfolgen. Beispielsweise erfolgt die Ermittlung von Strahllage und -qualität durch
Temperatursensoren, Streulichtsensoren oder eine Infrarotkamera. Je nach Ergebnis der Ermittlung kann dem Anwender beispielsweise eine einfache, aber hilfreiche
Rückmeldung bezüglich der Justage des Strahlaufweiters im System gegeben werden.
Es wird ein Verfahren zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters vorgestellt, wobei der Strahlaufweiter ein Aufnahmerohr mit einer Lichteintrittsöffnung und einer Lichtaustrittsöffnung und zumindest ein in einem Strahlengang zwischen der
Lichteintrittsöffnung und der Lichtaustrittsöffnung angeordnetes optisches Element zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung eingekoppelten
Strahlenbündels aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bestimmen einer Sollposition des Strahlenbündels entlang einer optischen Achse des Strahlaufweiters durch Erfassen einer mit dem Aufnahmerohr gekoppelten
Referenzfläche und einer Istposition des Strahlenbündels entlang der optischen Achse durch Erfassen einer Energieverteilung des Strahlenbündels in Bezug auf eine
Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs;
Ermitteln eines eine Abweichung zwischen der Ist- und der Sollposition
repräsentierenden Abweichungswertes durch Vergleichen der Ist- mit der Sollposition; und
Ausgeben einer Unterstützungsinformation zur Unterstützung eines Bedieners bei der Justage unter Verwendung des Abweichungswertes.
Unter einem Strahlaufweiter kann ein optisches System zum Vergrößern oder Verkleinern eines Strahldurchmessers eines Lichtstrahls oder Lichtstrahlenbündels, insbesondere etwa eines Laserstrahls oder Laserstrahlbündels, verstanden werden. Unter einem optischen Element kann beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel verstanden werden.
Beispielsweise kann das optische Element in Längsrichtung des Aufnahmerohrs verschiebbar im Aufnahmerohr angeordnet sein. Unter einer Referenzfläche kann beispielsweise ein mechanisch mit dem Aufnahmerohr gekoppeltes platten- oder scheibenförmiges Element oder ein geeignetes optisches Element verstanden werden. Beispielsweise kann eine Ausrichtung der optischen Achse durch eine Normale der Referenzfläche vorgegeben sein. Unter einer Energieverteilung kann beispielsweise eine Temperatur- oder Helligkeitsverteilung verstanden werden. Insbesondere kann die Energieverteilung in Bezug auf eine Apertur des Strahlaufweiters bestimmt werden. Unter einer Unterstützungsinformation kann ein Bedienhinweis zur Ausrichtung des Strah laufweiter verstanden werden. Beispielsweise kann die Unterstützungsinformation eine Richtungs- oder Längenangabe zur Lagekorrektur des Strah laufweiters oder eine Ja- nein-lnformation oder Ähnliches repräsentieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens die Istposition durch Erfassen einer Temperatur- und/oder Helligkeitsverteilung des Strahlenbündels in Bezug auf die Querschnittsfläche bestimmt werden. Dadurch kann die Istposition mit verhältnismäßig geringem Aufwand zuverlässig bestimmt werden.
Je nach Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens die Istposition durch Erfassen der Energieverteilung an einer optisch wirksamen Fläche des optischen Elements und/oder an dem Aufnahmerohr und/oder an einer der Lichteintrittsöffnung in
Strahlungsrichtung vorgelagerten Stelle und/oder an zumindest zwei unterschiedlichen Stellen in Längsrichtung des Aufnahmerohrs bestimmt werden. Unter einer optisch wirksamen Fläche kann ein im Bereich der Apertur des Strahlaufweiters befindlicher Abschnitt des optischen Elements verstanden werden. Dadurch kann die Genauigkeit beim Bestimmen der Istposition erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens die Istposition durch Erfassen der Energieverteilung in zumindest zwei unterschiedlichen
Erfassungsrichtungen entlang der Querschnittsfläche bestimmt werden. Dadurch wird eine mindestens zweidimensionale Erfassung der Istposition entlang der
Querschnittsfläche ermöglicht.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Istposition im Schritt des Bestimmens durch Erfassen der Energieverteilung in zueinander orthogonalen Erfassungsrichtungen bestimmt wird. Bei den orthogonalen Erfassungsrichtungen kann es sich beispielsweise um eine Ordinate und eine Abszisse eines zweidimensionalen Koordinatensystems handeln. Dadurch kann die Bestimmung der Istposition mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand erfolgen.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem eine Justageunterstützungsvorrichtung zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters, wobei der Strah laufweiter ein Aufnahmerohr mit einer Lichteintrittsöffnung und einer Lichtaustrittsöffnung und zumindest ein in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung und der Lichtaustrittsöffnung angeordnetes optisches Element zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung eingekoppelten Strahlenbündels aufweist, wobei die Justageunterstützungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine mit dem Aufnahmerohr gekoppelte oder koppelbare Referenzfläche; eine Sensoreinrichtung zum Bestimmen einer Sollposition des Strahlenbündels entlang einer optischen Achse des Strahlaufweiters durch Erfassen der Referenzfläche sowie zum Bestimmen einer Istposition des Strahlenbündels entlang der optischen Achse durch Erfassen einer Energieverteilung des Strahlenbündels in Bezug auf eine
Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs; und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln eines eine Abweichung zwischen der Ist- und Sollposition repräsentierenden Abweichungswertes durch Vergleichen der Ist- mit der Sollposition sowie zum Ausgeben einer Unterstützungsinformation zum Unterstützen eines Bedieners bei der Justage unter Verwendung des Abweichungswertes.
Unter einer Sensoreinrichtung kann ein einzelner Sensor oder eine Anordnung aus mehreren Sensoren wie beispielsweise Temperatur-, Foto- oder Streulichtsensoren verstanden werden. Beispielsweise können die Sensoren dabei stern- oder kreuzförmig um eine Mantelfläche des Aufnahmerohrs oder eine Umfangslinie des optischen
Elements verteilt angeordnet sein.
Unter einer Auswerteeinrichtung kann ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Auswerteeinrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung zumindest einen
Temperatursensor und/oder zumindest einen Fotosensor und/oder zumindest einen Streulichtsensor und/oder zumindest eine Infrarotkamera aufweisen. Dadurch wird eine zuverlässige und genaue Bestimmung der Soll- und der Istposition ermöglicht.
Eine andere Ausführungsform kann einer speziellen Mikro- oder Nanostrukturierung der Linsenoberfläche bestehen. Das kann beispielsweise ein„Netz" aus feinsten Drähten sein, die eine Widerstandsänderung durch Erwärmung erfahren. Werden diese Drähte an eine Auswerteeinheit angeschlossen, lässt sich die Position exakt und schnell ermitteln, da die thermische Trägheit der Mikrodrähte gering ist. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung zum Bestimmen der Ist- und/oder der Sollposition eine der Lichteintrittsöffnung in Strahlungsrichtung vorgelagerte
Sensorblende mit zumindest zwei Sensoren zum Erfassen von Reflexionen des
Strahlenbündels bei Eintritt in das Aufnahmerohr aufweisen. Dadurch kann die Ist- und/oder die Sollposition durch Auswertung von Reflexionsmustern, insbesondere einer Symmetrie der Reflexionsmuster bestimmt werden.
Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz einen Strah laufweiter mit folgenden
Merkmalen: einem Aufnahmerohr mit einer Lichteintrittsöffnung und einer Lichtaustrittsöffnung; zumindest einem in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung und der Lichtaustrittsöffnung angeordneten optischen Element zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung eingekoppelten Strahlenbündels; und einer Justageunterstützungsvorrichtung gemäß einer der vorstehenden
Ausführungsformen.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehenden Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Strah laufweiters gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Ausgangslage;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung aus Figur 2;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Figur 5 ein Diagramm zur Darstellung einer Temperaturverteilung, erfasst durch eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 6 ein Diagramm zur Darstellung einer Temperaturverteilung, erfasst durch eine
Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 8 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung aus Figur 7;
Figur 9 eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 ein Diagramm zur Darstellung einer Helligkeitsverteilung, erfasst durch eine
Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Figur 1 1 eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 12 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Strahlaufweiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 13 eine schematische Darstellung eines Sensorbildes einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei korrekter
Einkopplung;
Figur 14 eine schematische Darstellung eines Sensorbildes einer Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei schiefer Einkopplung;
Figur 1 5 eine schematische Darstellung einer Auswerteeinrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Figur 16 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Ausgangslage. Der
Strah laufweiter 100 umfasst ein Aufnahmerohr 102 zum Aufnehmen eines
Linsensystems, etwa in Form eines optischen Zooms oder eines Fokussiersystems mit kleinem Sehfeld. Das Aufnahmerohr 102 weist eine Lichteintrittsöffnung 104 zum Einkoppeln eines Strahlenbündels 106 und eine Lichtaustrittsöffnung 108 zum
Auskoppeln des Strahlenbündels 106 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Strahlenbündel 106 als einzelner Strahl dargestellt. In der Realität kann das
Strahlenbündel 106 jedoch eine Mehrzahl von (gleichgerichteten) Einzellichtstrahlen umfassen. Insbesondere handelt es sich bei dem Strahlenbündel 106 um Laserlicht. Das Linsensystem ist in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung 104 und der Lichtaustrittsöffnung 108 angeordnet und ausgebildet, um einen Durchmesser des Strahlenbündels 106 zu ändern. Eine gestrichelte Linie kennzeichnet eine optimale optische Achse 1 10 des Linsensystems. Durch Toleranzen können unterschiedliche Ausgangsstrahlrichtungen und -lagen entstehen. In Figur 1 sind beispielhaft drei unterschiedliche Ausgangsstrahlrichtungen des Strahlenbündels 106 an der
Lichtaustrittsöffnung 108 eingezeichnet.
Der Strahlaufweiter 100 umfasst eine Justageunterstützungsvorrichtung 1 12 zur Unterstützung eines Bedieners bei der Justage des Strahlaufweiters 100. Die
Justageunterstützungsvorrichtung 1 12 weist eine Referenzfläche 1 14 auf, die eine Ausrichtung der optischen Achse 1 10 repräsentiert und mit dem Aufnahmerohr 102 fest verbunden ist. Die Referenzfläche 1 14 ist beispielsweise als eine mechanische Referenz realisiert, die durch die optische Achse 1 10 definiert ist. Gemäß Figur 1 verläuft die optische Achse 1 10 senkrecht zur Referenzfläche 1 14. Beispielhaft ist die Referenzfläche 1 14 hier an der Lichteintrittsfläche 104 des Aufnahmerohrs 102 angeordnet.
Die Justageunterstützungsvorrichtung 1 12 umfasst ferner eine Sensoreinrichtung 1 16, die ausgebildet ist, um eine Sollposition des Strahlenbündels 106 entlang der optischen Achse 1 10 durch Erfassen der Referenzfläche 1 14 zu bestimmen und einen die
Sollposition repräsentierenden Sollwert 1 18 auszugeben. Des Weiteren ist die
Sensoreinrichtung 1 16 ausgebildet, um eine Istposition des Strahlenbündels 106 entlang der optischen Achse 1 10 durch Erfassen einer Energieverteilung des Strahlenbündels 106 in einer Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs 102 zu bestimmen und einen die Istposition repräsentierenden Istwert 120 auszugeben.
Beispielsweise ist die Justageunterstützungsvorrichtung 1 12 mit einer internen
Temperatur- oder Streulichtsensorik als Sensoreinrichtung 1 16 realisiert.
Eine Auswerteeinrichtung 122 der Justageunterstützungsvorrichtung 1 12 ist ausgebildet, um die beiden Werte 1 18, 120 von der Sensoreinrichtung 1 16 zu empfangen und durch Vergleichen der beiden Werte 1 18, 120 eine Unterstützungsinformation 124 zur Unterstützung des Bedieners bei der Justage auszugeben. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestimmung der Soll- oder der Istposition durch eine entsprechende Weiterverarbeitung von Sensorsignalen der Sensoreinrichtung 1 16 durch die Auswerteeinrichtung 122.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters 100 zur Verwendung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Strahlaufweiter 100 entspricht im Wesentlichen dem vorangehend anhand von Figur 1 beschriebenen Strahlaufweiter. Beispielhaft gezeigt sind ein erstes optisches Element 200, ein zweites optisches Element 202 und ein drittes optisches Element 204 in Form einzelner Linsen des Linsensystems. Die optischen Elemente 200, 202, 204 sind beispielsweise verschiebbar im Aufnahmerohr 102 angeordnet, um den Durchmesser des
Strahlenbündels 106 zu ändern. Ähnlich wie in Figur 1 wird das Strahlenbündel 106 relativ zur optischen Achse 1 10 schief in das Aufnahmerohr 102 eingekoppelt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoreinrichtung 1 16 mindestens einen ersten Sensor 206 zum Erfassen der Energieverteilung des Strahlenbündels 106 an dem ersten optischen Element 200, mindestens einen zweiten Sensor 208 zum Erfassen der Energieverteilung des Strahlenbündels 106 an dem zweiten optischen Element 202 sowie mindestens einen dritten Sensor 210 zum Erfassen der Energieverteilung des
Strahlenbündels 106 an dem dritten optischen Element 204. Gemäß Figur 2 sind die Sensoren 206, 208, 210 je als Temperatursensoren zum Erfassen einer
Temperaturverteilung entlang der Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs 102 ausgebildet.
Ein zusätzlicher Sensor 212 der Sensoreinrichtung 1 16 ist ausgebildet, um eine
Temperatur des Aufnahmerohrs 102, etwa an einer Mantelfläche des Aufnahmerohrs 102, zu erfassen. Die Temperatur des Aufnahmerohrs 102 dient beispielsweise als Referenztemperatur beim Erfassen der Temperaturverteilung.
Gezeigt ist ferner ein optionales Abschlussglas 214, das die Lichtaustrittsöffnung 108 bedeckt.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Sensoreinrichtung 1 16 aus Figur 2.
Gezeigt ist das erste optische Element 200 in der Vorderansicht. Die nachfolgende Beschreibung der Sensoreinrichtung 1 16 kann jedoch in analoger Weise auch für das zweite oder dritte optische Element des Strahlaufweiters zutreffen.
Um einen Rand des optischen Elements 200 herum sind vier erste Sensoren 206 in gleichmäßigem Abstand verteilt, um vier Temperaturwerte T1 , T2, T3, T4 zur Bestimmung der Temperaturverteilung und somit der Istposition des Strahlenbündels 106 zu erfassen. Das Strahlenbündel 106, etwa ein 1/e2-Laserbündel, liegt innerhalb einer gültigen Apertur 300 des Strahlaufweiters.
Die ersten Sensoren 206 sind kreuzförmig angeordnet, wobei je zwei der Sensoren 206 paarweise einander gegenüberliegen. Dadurch wird eine Erfassung der Istposition des Strahlenbündels 106 in zwei unterschiedlichen, zueinander orthogonalen
Erfassungsrichtungen entlang der Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs ermöglicht.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensoren 206 um einen Linsenrand 302 des optischen Elements 200 verteilt angeordnet.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung 1 16 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu Figur 3 weist die Sensoreinrichtung 1 16 hier acht statt vier erste Sensoren 206 auf. Dabei sind die Sensoren 206 beispielsweise kranzförmig um das optische Element 200 herum verteilt und je paarweise einander gegenüberliegend angeordnet, um eine Erfassung der Temperaturverteilung in vier unterschiedlichen Erfassungsrichtungen zu ermöglichen. Beispielhaft sind die vier Erfassungsrichtungen je um einen Winkel von 45° zueinander versetzt.
Figur 5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Temperaturverteilung, erfasst durch eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, etwa der vorangehend anhand von Figur 3 beschriebenen Sensoreinrichtung. Gezeigt ist ein zweidimensionales Koordinatensystem zur Messung oder Berechnung einer
Zentrierung des Strahlaufweiters. Dabei entspricht eine Ordinate 500 einer ersten Erfassungsrichtung und eine Abszisse 502 einer zweiten Erfassungsrichtung der
Sensoreinrichtung. Ein Punkt 504 repräsentiert die Istposition des Strahlenbündels in der Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs, genauer in einer optisch wirksamen Fläche des optischen Elements aus Figur 3. Beispielhaft liegt der Punkt 504 entsprechend der Istposition des Strahlenbündels in einem vierten Quadranten des Koordinatensystems.
Figur 6 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Temperaturverteilung, erfasst durch eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist ein Koordinatensystem für komplexere Berechnungsmodelle zur Berechnung der Zentrierung des Strahlaufweiters, insbesondere mithilfe von in Längsrichtung des Aufnahmerohrs verteilt angeordneter Sensoren, deren jeweilige Sensorposition auf der Abszisse 502, beispielsweise in Millimetern, abgetragen ist. Zusätzlich zum Punkt 504 sind zwei weitere Punkte 600, 602 gezeigt, die je die Istposition des Strahlenbündels an unterschiedlichen Messstellen in Längsrichtung des Aufnahmerohrs, beispielsweise an dem zweiten und dritten optischen Element, repräsentieren.
Die Figuren 5 und 6 zeigen Berechnungsmodelle, die für die Bestimmung der
Sensorposition eingesetzt werden können. Eine daraus ermittelte Strahllage ergibt beispielsweise Angaben zur Korrektur, etwa über eine LED oder ein Display.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Strahlaufweiter 100 entspricht im Wesentlichen dem vorangehend anhand von Figur 2 beschriebenen Strahlaufweiter, mit dem Unterschied, dass die Sensoren 206, 208, 210, 212 hier nicht als Temperatur-, sondern als Foto- oder Streulichtsensoren ausgebildet sind, um die Istposition des Strahlenbündels 106 anhand einer Helligkeitsverteilung entlang der Querschnittsfläche des Aufnahmerohrs 102 zu bestimmen.
Die Foto- oder Streulichtsensoren sind beispielsweise jeweils kränz- oder kreuzförmig um einen äußeren Rand der optischen Elemente 200, 202, 204 angeordnet, wie dies in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung der Sensoreinrichtung 1 16 aus Figur 7. Beispielhaft gezeigt ist eine Vorderansicht des ersten optischen Elements 200 mit vier ersten Sensoren 206 in Form von Foto- oder Streulichtsensoren, die analog zu dem vorangehend anhand von Figur 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel kreuzförmig um den Rand des optischen Elements 200 herum verteilt angeordnet sind, um vier
Helligkeitswerte P1 , P2, P3, P4 zu erfassen.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Sensoreinrichtung 1 16 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu Figur 8 weist die Sensoreinrichtung 1 16, analog zu dem vorangehend anhand von Figur 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel, acht Sensoren 206 in Form von Fotodioden oder Streulichtsensoren je optisches Element zur Detektion von Streulicht oder Rückreflexen auf. Die Sensoren 206 sind dabei kranzförmig um die optischen Elemente angeordnet, wie es in Figur 9 am Beispiel des ersten optischen Elements 200 gezeigt ist.
Die in den Figuren 3, 4, 8 und 9 dargestellten Temperaturverläufe können beispielsweise durch die Verwendung einer speziellen Mikro- oder Nanostrukturierung der
Linsenoberfläche bestehen. Hierbei kann beispielsweise ein„Netz" aus feinsten Drähten verwendet werden, die horizontal und vertikal über die Linsenoberfläche gespannt sind und die ausgebildet sind, um bei einer Erwärmung eine Widerstandsänderung zu erfahren. Werden diese Drähte an eine Auswerteeinheit angeschlossen, lässt sich die Position der erwärmten Stelle exakt und schnell durch die Auswertung der Widerstände der einzelnen Drähte ermitteln, da die thermische Trägheit der (Mikro-) Drähte gering ist. Es kann daher ein Ermitteln des Schwerpunkts der erhitzten Stelle in horizontale und vertikale Richtung sehr einfach erfolgen. Auf diese Weise lässt sich daher sehr schnell und präzise die Ermittlung der Position der Erwärmung durchführen, sodass eine Justage auf der Basis dieser erkannten Position ebenfalls sehr schnell und präzise erfolgt. Eine Einschwingzeit einer auf einer solchen Vorgehensweise basierenden
Justageunterstüzungsvorrichtung ist folglich ebenfalls sehr kurz.
Figur 10 zeigt ein Diagramm zur Darstellung einer Helligkeitsverteilung, erfasst durch eine Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, etwa der vorangehend anhand von Figur 8 beschriebenen Sensoreinrichtung. Die
Helligkeitsverteilung ist analog zu der vorangehend anhand von Figur 5 beschriebenen Temperaturverteilung in dem zweidimensionalen Koordinatensystem mit den Achsen 500, 502 dargestellt. Zur Berechnung der Zentrierung des Strahlaufweiters ist hier eine nichtlineare Skalierung erforderlich.
Figur 1 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Strahlaufweiters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoreinrichtung 1 16 einen zusätzlichen Sensorenkranz 1 100 aus mindestens vier Fotosensoren 1 101 . Der Sensorenkranz 1 100 ist der Lichteintrittsöffnung 104, genauer einer Lichteintrittsfläche des ersten optischen Elements 200, in
Strahlungsrichtung vorgelagert, um zur Bestimmung der Ist- oder der Sollposition Reflexionen des Strahlenbündels 106 bei Eintritt in das Aufnahmerohr 102 zu erfassen. Die Fotosensoren 1 101 sind beispielsweise auf eine Anwendungswellenlänge des Strahlaufweiters 100 abgestimmt.
Figur 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Strahlaufweiters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist der
Sensorenkranz 1 100 aus Figur 1 1 , der hier als Sensorblende zum Durchlassen des Strahlenbündels 106 innerhalb eines durch eine geeignete Blendengeometrie festgelegten Winkelbereichs realisiert ist.
Die hier gezeigte Anordnung basiert darauf, dass im zentrierten Zustand auch die Restreflexe ein symmetrisches Muster ergeben müssen. Dazu ist ein geeigneter Kranz aus Fotosensoren an einer Position angeordnet, an der sich solche Restreflexe detektieren lassen. Durch den optionalen Einsatz eines Filters wird sichergestellt, dass alle anderen Wellenlängen nicht erfasst werden und kein Störsignal erzeugt wird. Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorbildes 1300 einer
Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei korrekter Einkopplung des Strahlenbündels in den Strahlaufweiter. In dem Sensorbild 1300 ist die durch die Sensoreinrichtung erfasste Verteilung einer Beleuchtungsstärke entlang der optischen Achse des Strahlaufweiters dargestellt.
Figur 14 zeigt im Unterschied zu Figur 13 eine schematische Darstellung eines
Sensorbildes 1400 der Sensoreinrichtung bei schiefer Einkopplung.
Figur 1 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Auswerteeinrichtung 122 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteeinrichtung 122 umfasst eine Ermittlungseinheit 1500 zum Ermitteln eines Abweichungswertes 1 502 durch Vergleichen der Soll- mit der Istposition unter Verwendung des Sollwertes 1 18 und des Istwertes 120. Dementsprechend repräsentiert der Abweichungswert 1502 eine Abweichung zwischen der Soll- und der Istposition. Eine Ausgabeeinheit 1 504 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Abweichungswertes 1 502 die
Unterstützungsinformation 124 auszugeben. Die Unterstützungsinformation 124 repräsentiert beispielsweise einen über eine LED oder ein Display anzeigbaren Hinweis. Beispielsweise leuchtet die LED grün, wenn das durch die Sensoreinrichtung erfasste Temperatur- oder Helligkeitsprofil eine korrekte Ausrichtung des Strahlaufweiters repräsentiert, oder rot, wenn das Temperatur- oder Helligkeitsprofil keine korrekte Ausrichtung des Strahlaufweiters repräsentiert. Möglich ist auch eine LED-Ampel mit Zwischenstufen oder die Anzeige einer auf eine Referenz bezogenen
Richtungsempfehlung auf einem Display.
Figur 16 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1600 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1600 zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters kann beispielsweise unter Verwendung der vorangehend beschriebenen Justageunterstützungsvorrichtung ausgeführt werden.
Dabei wird in einem Schritt 1610 die Sollposition des Strahlenbündels durch Erfassen der Referenzfläche bestimmt. Ebenso wird im Schritt 1610 durch Erfassen der
Energieverteilung des Strahlenbündels im Aufnahmerohr die Istposition des
Strahlenbündels bestimmt. In einem weiteren Schritt 1620 wird durch Vergleichen der Ist- mit der Sollposition der die Abweichung zwischen der Ist- und der Sollposition repräsentierende Abweichungswert bestimmt. Schließlich wird in einem Schritt 1630 die Unterstützungsinformation unter Verwendung des Abweichungswertes ausgegeben, um den Bediener bei der Justage des Strahlaufweiters zu unterstützen. Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes nochmals mit anderen Worten zusammengefasst. Die Justage eines optischen Systems mit dem Strahlaufweiter 100 erfolgt durch Bestimmung der Sollposition anhand der Referenzfläche 1 14 entlang der optischen Achse 1 10 und durch eine Messung und Korrektur durch mindestens einen Sensor.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird dazu ein Sensorsystem verwendet, das mindestens einen Temperatursensor und/oder Fotosensor und/oder Streulichtsensor aufweist. Dabei sind die Sensoren insbesondere untereinander gekoppelt und vernetzt, um auf kleinste Abweichungen reagieren und Korrekturjustagen vornehmen zu können. Die Datenerfassung zur Korrektur erfolgt bezogen auf die Referenzfläche 1 14.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Strahlaufweiter 100 mindestens eine Justierblende mit Sensoren auf, vorangehend auch Sensorenkranz 1 100 genannt. Optional erfolgt die Erfassung durch IR-Kameraabbildungen unter Verwendung von IR- Kameras, IRA/IS-Kameras oder Streulichtsensoren.
Zur Bestimmung der Sensorposition werden beispielsweise Berechnungsmodelle eingesetzt, die die daraus ermittelte Strahllage ergeben und schließlich die Angaben zur Korrektur liefern.
Optiken und Sensoren des optischen Systems sind insbesondere gemäß der
Referenzfläche 1 14 positioniert. Bei der Referenzfläche 1 14 handelt es sich etwa um eine mechanische oder optische Referenz, durch die eine sehr genaue Justage ermöglicht wird.
Die Fotosensoren sind beispielsweise auf optisch wirksame Flächen gerichtet oder daran angeordnet, etwa an einzelnen Optiken, Linsen oder Blenden. Möglich ist auch eine Kombination aus Temperatur- und Fotosensoren.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein
Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren (1600) zur Unterstützung einer Justage eines Strahlaufweiters (100), wobei der Strah laufweiter (100) ein Aufnahmerohr (102) mit einer
Lichteintrittsöffnung (104) und einer Lichtaustrittsöffnung (108) und zumindest ein in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung (104) und der
Lichtaustrittsöffnung (108) angeordnetes optisches Element (200, 202, 204) zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung (104)
eingekoppelten Strahlenbündels (106) aufweist, wobei das Verfahren (1600) folgende Schritte umfasst:
Bestimmen (1610) einer Sollposition des Strahlenbündels (106) entlang einer optischen Achse (1 10) des Strahlaufweiters (100) durch Erfassen einer mit dem Aufnahmerohr (102) gekoppelten Referenzfläche (1 14) und einer Istposition des Strahlenbündels (106) entlang der optischen Achse (1 10) durch Erfassen einer Energieverteilung des Strahlenbündels (106) in Bezug auf eine
Querschnittsfläche (300, 302) des Aufnahmerohrs (102);
Ermitteln (1620) eines eine Abweichung zwischen der Ist- und der Sollposition repräsentierenden Abweichungswertes (1 502) durch Vergleichen der Ist- mit der Sollposition; und
Ausgeben (1630) einer Unterstützungsinformation (124) zur Unterstützung eines Bedieners bei der Justage unter Verwendung des Abweichungswertes (1 502).
2. Verfahren (1600) gemäß Anspruch 1 , bei dem im Schritt des Bestimmens (1610) die Istposition durch Erfassen einer Temperatur- und/oder Helligkeitsverteilung des Strahlenbündels (106) in Bezug auf die Querschnittsfläche (300, 302) bestimmt wird.
3. Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens (1610) die Istposition durch Erfassen der Energieverteilung an einer optisch wirksamen Fläche des optischen Elements (200, 202, 204) und/oder an dem Aufnahmerohr (102) und/oder an einer der Lichteintrittsöffnung (104) in
Strahlungsrichtung vorgelagerten Stelle und/oder an zumindest zwei
unterschiedlichen Stellen in Längsrichtung des Aufnahmerohrs (102) bestimmt wird.
4. Verfahren (1600) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bestimmens (1610) die Istposition durch Erfassen der Energieverteilung in zumindest zwei unterschiedlichen Erfassungsrichtungen entlang der
Querschnittsfläche (300, 302) bestimmt wird.
5. Verfahren (1600) gemäß Anspruch 4, bei dem im Schritt des Bestimmens (1610) die Istposition durch Erfassen der Energieverteilung in zueinander orthogonalen Erfassungsrichtungen bestimmt wird.
6. Justageunterstützungsvorrichtung (1 12) zur Unterstützung einer Justage eines
Strahlaufweiters (100), wobei der Strahlaufweiter (100) ein Aufnahmerohr (102) mit einer Lichteintrittsöffnung (104) und einer Lichtaustrittsöffnung (108) und zumindest ein in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung (104) und der Lichtaustrittsöffnung (108) angeordnetes optisches Element (200, 202, 204) zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung (104)
eingekoppelten Strahlenbündels (106) aufweist, wobei die
Justageunterstützungsvorrichtung (1 12) folgende Merkmale aufweist: eine mit dem Aufnahmerohr (102) gekoppelte oder koppelbare
Referenzfläche (1 14); eine Sensoreinrichtung (1 16) zum Bestimmen einer Sollposition des
Strahlenbündels (106) entlang einer optischen Achse (1 10) des
Strahlaufweiters (100) durch Erfassen der Referenzfläche (1 14) sowie zum
Bestimmen einer Istposition des Strahlenbündels (106) entlang der optischen Achse (1 10) durch Erfassen einer Energieverteilung des Strahlenbündels (106) in Bezug auf eine Querschnittsfläche (300, 302) des Aufnahmerohrs (102); und eine Auswerteeinrichtung (122) zum Ermitteln eines eine Abweichung zwischen der Ist- und Sollposition repräsentierenden Abweichungswertes (1 502) durch
Vergleichen der Ist- mit der Sollposition sowie zum Ausgeben einer
Unterstützungsinformation (124) zum Unterstützen eines Bedieners bei der Justage unter Verwendung des Abweichungswertes (1 502).
7. Justageunterstützungsvorrichtung (1 12) gemäß Anspruch 6, bei der die
Sensoreinrichtung (1 16) zumindest einen Temperatursensor und/oder zumindest einen Fotosensor und/oder zumindest einen Streulichtsensor und/oder zumindest eine Infrarotkamera aufweist.
8. Justageunterstützungsvorrichtung (1 12) gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der die
Sensoreinrichtung (1 16) zum Bestimmen der Ist- und/oder der Sollposition eine der Lichteintrittsöffnung (104) in Strahlungsrichtung vorgelagerte Sensorblende (1 100) mit zumindest zwei Sensoren (1 101 ) zum Erfassen von Reflexionen des
Strahlenbündels (106) bei Eintritt in das Aufnahmerohr (102) aufweist.
9. Strah laufweiter (100) mit folgenden Merkmalen: einem Aufnahmerohr (102) mit einer Lichteintrittsöffnung (104) und einer Lichtaustrittsöffnung (108); zumindest einem in einem Strahlengang zwischen der Lichteintrittsöffnung (104) und der Lichtaustrittsöffnung (108) angeordneten optischen Element (200, 202, 204) zum Ändern eines Durchmessers eines über die Lichteintrittsöffnung (104) eingekoppelten Strahlenbündels (106); und einer Justageunterstützungsvorrichtung (1 12) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8.
10. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um die Schritte des Verfahrens (1600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen und/oder anzusteuern.
1 1 . Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach
Anspruch 10 gespeichert ist.
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