DE3819005A1 - Method and arrangement for determining the diameter of light bundles - Google Patents
Method and arrangement for determining the diameter of light bundlesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Durchmessers von Lichtbündeln, insbesondere La serbündeln, wobei das Lichtbündel auf eine Photosen sormatrix, die voneinander in bestimmten Abständen in Reihe angeordnete Lichtsensorelemente enthält, ge richtet wird und die auf Wirkung des Lichtbündels in den Lichtsensorelementen erzeugten Signale erfasst werden.The invention relates to a method for determination the diameter of light beams, especially La bundle the light beam on a photosen sormatrix that are spaced from each other at certain intervals contains light sensor elements arranged in series, ge is directed and the effect of the light beam Signals generated in the light sensor elements detected will.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, die mit einer in dem Weg des Lichtbündel - vorzugsweise zu diesem senkrecht - angeordneten Photosensormatrix, sowie einem mit der Photosensormatrix verbundenen Auswertesystem versehen ist, wobei die Photosensormatrix durch voneinander in bestimmten Abständen in Reihe angeordneten Licht sensorelementen gebildet ist.The invention further relates to an arrangement for carrying out the method, which is provided with a photosensor matrix arranged in the path of the light bundle , preferably perpendicularly thereto, and an evaluation system connected to the photosensor matrix, the photosensor matrix being arranged by light arranged in series at certain intervals from one another sensor elements is formed.
Die Erfindung kann zur kontinuierlichen Messung des Strahlendurchmessers von unter industriellen Bedin gungen verwendeten Laser, sowie zur Messung des op tischen Kopfes optischer Datenerfassungsgeräte, zu dessen Kalibrierung und zur Einstellung der Abbildung verwendet werden.The invention can be used for the continuous measurement of Beam diameter of under industrial conditions laser used, as well as for measuring the op table head of optical data acquisition devices its calibration and to adjust the image be used.
Der Durchmesser von Lichtbündeln wurde auf herkömmli che Weise mit Hilfe eines in den Weg des Lichtbündels angeordneten schmalen Spaltes gemessen, der vor dem Lichtsensorelement vorbeigezogen wurde. Die Messung wurde danach zur Erhöhung der Genauigkeit in Abhän gigkeit von der Breite des Spaltes mittels Dekonvolu tionsverfahren ausgewertet. Liegt nun die geforderte Genauigkeit unter 1 µm, ist ein Messpalt nicht mehr verwendbar, da auch der kleinste Spalt ein Mass von 0,5 ±0,2 µm aufweist. In diesem Falle wurde ein brei terer Spalt, bzw. eine einfache Kante (sogenannte Mes serkante) verwendet. Dabei kann durch Dekonvolutions rechenmethoden bezüglich des Kantenüberganges die In tensitätsverteilung des Lichtbündels bestimmt werden. Die Genauigkeit des Kantenüberganges setzt hierbei der Messgenauigkeit eine Grenze.The diameter of the light bundles has been reduced to conventional che way with the help of one in the path of the light beam arranged narrow gap measured before the Light sensor element was pulled over. The measurement was subsequently used to increase accuracy the width of the gap by means of a deconvolute tion process evaluated. Now lies the required Accuracy below 1 µm is no longer a measuring gap usable, since even the smallest gap has a dimension of 0.5 ± 0.2 µm. In this case a porridge became tere gap, or a simple edge (so-called Mes serkante) used. It can by deconvolutions computing methods regarding the edge transition the In intensity distribution of the light beam can be determined. The accuracy of the edge transition sets here a limit of measurement accuracy.
Bei Feinmessungen (im Falle von einigen µm) wurden piezoelektrische Translatoren verwendet, eine derar tige Lösung ist zum Beispiel aus der US-PS 39 02 085 bekannt. Die Bewegungsgenauigkeit der piesoelektri schen Translatoren liegt zwischen 10 und 100 nm, ihr Bewegungsbereich (das Ausdehnen des Kristalls bei maximaler Spannung) ist jedoch äusserst begrenzt, ca. 30 µm. Diese Messanordnung ist deswegen nur zur Ermittlung solcher Bündeldurchmesser geeignet, die im Bereich von einigen Mikrometer liegen, ausserdem ist das Messystem mit einem Translator mit grösse rem Bewegungsraum zu ergänzen (im allgemeinen mecha nischen). Dabei muss der letztere bei dem Beginn der Messung die Bewegung der Messerkante in den Bereich des Lichtbündels und deren Positionierung sichern. For fine measurements (in the case of a few µm) Piezoelectric translators are used, one of them The solution is, for example, from US Pat. No. 3,920,085 known. The accuracy of movement of the piesoelektri cal translators is between 10 and 100 nm, their range of motion (the expansion of the crystal at maximum voltage) is extremely limited, approx. 30 µm. This measuring arrangement is therefore only for Determination of such bundle diameter suitable are in the range of a few micrometers, moreover is the measuring system with a translator with size rem space of movement (generally mecha niches). The latter must be at the beginning of the Measuring the movement of the knife edge in the area secure the light beam and its positioning.
Diese Messanordnung ist verhältnismässig robust, schwer einstellbar und funktioniert nur in einem kleinen Be reich mit entsprechender Genauigkeit. Ein weiteres Problem besteht darin, dass das gesamte System während der Messung stabil und möglichst schwingungsfrei sein muss.This measuring arrangement is relatively robust and heavy adjustable and works only in a small size rich with appropriate accuracy. Another one Problem is that the whole system during measurement is stable and vibration-free if possible got to.
Die Fokussiertheit von Laserbündeln kann mit Hilfe verschiedener Anordnungen überprüft werden. Die Anord nungen detektieren jedoch nur die Tatsache der Fokus sierung oder Defokussierung und deren relatives Mass, zur Bestimmung von konkreten Bündelparametern sind sie jedoch nicht geeignet. Derartige Anordnungen sind zum Beispiel aus den UK-PS 45 46 460 (1985) und UK-PS 20 57 218 (1979) bekannt.The focus of laser beams can be with the help various arrangements can be checked. The arrangement however, only detect the fact of focus focusing or defocusing and their relative measure, for determining specific bundle parameters however, they are not suitable. Such arrangements are for example from UK-PS 45 46 460 (1985) and UK-PS 20 57 218 (1979).
Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines solchen Verfahrens und einer solchen Anordnung, die die Bestimmung des Durchmessers von zu fokussierenden Lichtbündeln auf einfache Weise mittels einer einfa chen, einen kleinen Platzbedarf aufweisenden Messan ordnung ermöglichen.The aim of the invention is to develop a such a method and an arrangement which the determination of the diameter of to be focused Beams of light in a simple way using a simple Chen, Messan requiring little space enable order.
Zur Lösung der Aufgabe wurde ein Verfahren geschaffen, bei welchem das Lichtbündel auf eine Photosensormatrix, die voneinander in bestimmten Abständen in Reihe an geordnete Lichtsensorelemente enthält, gerichtet wird und die auf Wirkung des Lichtbündels in den Lichtsen sorelementen erzeugten Signale detektiert werden, wo bei gemäss der Erfindung die Photosensormatrix pa rallel zu ihrer Photosensorreihe bewegt wird, dabei während der Bewegung die in den Lichtsensorelementen durch das Lichtbündel erzeugten photoelektrischen Sig nale in bestimmten Zeitabständen gemessen werden, in Abhängigkeit der Werte der gemessenen Signale und der augenblicklichen Geschwindigkeit der Photosensor matrix eine Statistik aufgenommen wird, dann die charak teristischen Parameter der Statistik mit für Lichtbün deldurchmesser charakteristischen Etalonwerten verglichen werden, und dabei der Durchmesser des geprüften Licht bündels anhand des übereinstimmenden Etalonwertes be stimmt wird.A method was created to solve the problem, in which the light beam on a photosensor matrix, which are arranged in series at certain intervals contains ordered light sensor elements, is directed and that on the effect of the light beam in the lights generated signals are detected where in accordance with the invention the photosensor matrix pa is moved parallel to their photosensor row during the movement in the light sensor elements photoelectric signal generated by the light beam nale are measured at certain intervals, in Dependence of the values of the measured signals and the instantaneous speed of the photosensor a statistic is recorded, then the charak Statistical parameters of the statistics with for Lichtbün compared to the characteristic etalon values the diameter of the light being tested bundle based on the corresponding etalon value is true.
Die Etalonwerte können dazu mittels Referenzmessungen bestimmt werden, wobei diese Referenzmessungen an Lichtbündeln mit bekanntem Durchmesser durchgeführt werden. In diesem Falle erfordert die Bestimmung des Durchmessers des Lichtbündels keine zusätzlich durchzu führende Berechnungen, die Auswertung der gemessenen Werte erfolgt anhand voraus gefertigter Tabellen.For this purpose, the etalon values can be measured using reference measurements be determined, taking these reference measurements Beams of light with known diameter performed will. In this case, the determination of the Diameter of the light beam no additional leading calculations, the evaluation of the measured Values are based on previously prepared tables.
Wenn jedoch keine Möglichkeit zur Durchführung der Re ferenzmessungen an entsprechend genauen Etalonlichtbün deln besteht, können die Etalonwerte auch errechnet werden, dazu kann die Abhängigkeit des Expositionswer tes, der anhand des aus der Intensitätsverteilung des Lichtbündels und aus der von der lokalen Stelle abhän gigen Photoempfindlichkeitsverteilung der einzelnen Sensorelemente errechneten raum- und zeitabhängigen Kon volutionsintegrals bestimmt werden kann, von dem Abstand zwischen den Lichtbündel und den einzelnen Sensorele menten verwendet werden.However, if there is no way to carry out the re Reference measurements at correspondingly accurate etalon light sources the etalon values can also be calculated the dependency of the exposure tes, which is based on the intensity distribution of the Light beam and depending on the local location common photosensitivity distribution of the individual Sensor elements calculated space and time-dependent con volutionsintegrals can be determined from the distance between the light beam and the individual sensor elements elements can be used.
Die Etalonwerte können aber auch durch eine solche Rechenmethode bestimmt werden, die den Zusammenhang zwischen dem Abstand der einzelnen Sensorelemente und dem Lichtbündel und der auf die einzelnen Sensorelemen te fallenden Lichtleistung verwendet.However, the etalon values can also be determined by one Calculation method can be determined that the relationship between the distance between the individual sensor elements and the light beam and that on the individual sensor elements te falling light output used.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Licht bündel im Impulsbetrieb auf die Photosensormatrix ge leitet.In one embodiment of the invention, the light bundle in pulse mode on the photosensor matrix directs.
Die augenblickliche Geschwindigkeit der Photosensormatrix wird durch Vergleich der einander in bestimmten Zeit abständen folgenden Signalreihen der Sensorelemente der Photosensorreihe, anhand der relativ zueinander erfolgenden, durch die Bewegung hervorgerufenen Ver schiebung der durch das auf die Sensorreihe gerichtete Lichtbündel in den Elementen der Photosensorreihe her vorgerufenen Signale ermittelt.The instantaneous speed of the photosensor matrix is done by comparing each other in certain time the following signal series of the sensor elements the photosensor series, based on the relative to each other resulting Ver shift of the directed towards the sensor row Bundles of light in the elements of the photosensor series called signals determined.
Somit sind zur Messung, bzw. Ermittlung der Parameter der Bewegung der Photosensormatrix keine zusätzlichen Positionsfühler erforderlich.Thus, for measuring or determining the parameters no additional movement of the photosensor matrix Position sensor required.
Die Positionierung (Ausrichtung) der Photosensormatrix zu dem zu prüfenden Lichtbündel kann auf die Weise durchgeführt werden, dass vor der eigentlichen Messung vor dem Starten des Bewegens der Photosensormatrix die Photosensormatrix zu ihrer Photosensorreihe und zu der Richtung des Lichtbündels senkrecht soweit ver schoben wird, bis das photoelektrische Signal der unter der Lichtbündel befindlichen einzelnen Sensorelemente einen maximalen Wert annimmt. Die auf diese Weise durch geführte Positionierung erfordert ebenfalls keine ge sonderten zusätzlichen Positionsfühler.The positioning (alignment) of the photosensor matrix to the light beam to be tested in the way be done before the actual measurement before starting moving the photosensor matrix the photosensor matrix for your photosensor series and ver as far perpendicular to the direction of the light beam is pushed until the photoelectric signal is below individual sensor elements located in the light beam takes a maximum value. The way through guided positioning also does not require ge special additional position sensor.
Aus den Signalen (zum Beispiel Photoexposition) der Sensorelemente der Photosensormatrix, die aus in Rich tung der Bewegung in annähernd gleichen Abständen be findlichen und eine annähernd gleiche Breite und Photo empfindlichkeit aufweisenden Lichtsensorelementen auf gebaut ist, wird nach einer Vielzahl (hundert, tausend, zehntausend) von Expositionen eine statistische Vertei lung aufgenommen. Die auf diese Weise erhaltene sta tistische Verteilung hängt grundsätzlich von den an der Messung teilnehmenden zu messenden und bekannten Parame tern und deren Verhältnis zueinander ab.From the signals (for example photo exposure) of the Sensor elements of the photosensor matrix, which in Rich movement at approximately equal intervals sensitive and approximately the same width and photo sensitive light sensor elements is built according to a variety (hundred, thousand, ten thousand) of exposures a statistical distribution lung added. The sta obtained in this way The statistical distribution basically depends on the other Participating measurement to be measured and known tern and their relationship to each other.
Aus den unter Verwendung bekannter, bzw. als bekannt betrachteter (geschätzter) Paramter ausgewerteten sta tistischen Resultaten kann der Durchmesser des die Photoexposition erzeugenden, auf die Photosensormatrix fallenden Lichtbündels mit entsprechend hoher Genauig keit bestimmt werden.From those known using, or as known considered (estimated) parameters evaluated sta The results can be the diameter of the Generating photoexposure to the photosensor matrix falling light beam with correspondingly high accuracy be determined.
Da es sich hierbei um eine statistische Auswertung handelt, hängt die Messung weniger von den Schwingun gen des Systemes und den Ungenauigkeiten der Parameter ab.Because this is a statistical evaluation the measurement depends less on the vibrations system and the inaccuracies of the parameters from.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wurde weiterhin eine Anordnung zur Bestimmung des Durchmessers von Licht bündeln entwickelt, die eine voneinander in bestimmten Abständen in Reihe angeordnete Lichtsensorelemente enthaltene Photosensormatrix aufweist, wobei die Photo sensorreihe der Photosensormatrix in dem Weg des Licht bündels - vorzugsweise zu diesem senkrecht - angeord net ist und die Photosensormatrix mit einem Auswerte system verbunden ist, wobei gemäss der Erfindung die Photosensormatrix auf einer eine zu der Photosensorreihe parallel gerichtete gerade Führung sichernden Führung, bewegbar angeordnet ist und mit einem eine lineare Bewegung sichernden Antriebsorgan in bewegungsübertra gender Verbindung steht.To solve the problem, an arrangement for determining the diameter of light bundles was further developed, which has a photosensor matrix containing light sensor elements arranged in series at certain intervals, the photo sensor array of the photosensor matrix in the path of the light bundle - preferably perpendicular to this - angeord net and the photosensor matrix is connected to an evaluation system, wherein according to the invention, the photosensor matrix is movably arranged on a guide securing a straight guide parallel to the photosensor row and is in a motion-transmitting connection with a linear motion-securing drive element.
Es ist von Vorteil, wenn die Führung mit zwei Blattfe derpaaren, die aus zu der Bewegungsrichtung senkrecht angeordneten, zueinander parallelen Blattfedern ausge bildet sind, versehen ist, wobei jeweils ein Ende der einen Blattfeder der Blattfederpaare festgehalten ist, während die andere Blattfeder der Blattfederpaare eine Bewegung ermöglichend an einem Halteelement der Photo sensormatrix angeschlossen ist.It is advantageous if the guide with two Blattfe of the pairs that are perpendicular to the direction of movement arranged, mutually parallel leaf springs out forms are provided, with one end of each a leaf spring of the leaf spring pairs is held, while the other leaf spring of the leaf spring pairs one Movement on a holding element of the photo sensor matrix is connected.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungs gemässen Anordnung ist die Photosensormatrix ein CCD- Lichtsensor (Charge-coupled device).In one possible embodiment of the Invention According to the arrangement, the photosensor matrix is a CCD Light sensor (charge-coupled device).
Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsge mässen Anordnung ist die den CCD-Lichtsensor schüt zende Glasplatte entfernt.In another embodiment of the fiction According to the arrangement, it protects the CCD light sensor glass plate removed.
Vor dem CCD-Lichtsensor kann ein Spiegel angeordnet sein.A mirror can be arranged in front of the CCD light sensor be.
Vor der Sensorfläche des CCD-Lichtsensors kann ein Lichtfilter oder ein Spiegel angeordnet sein.In front of the sensor surface of the CCD light sensor, a Light filter or a mirror can be arranged.
Es ist relativ einfach, die Photosensormatrix, die eine relativ grosse Anzahl an Sensorelementen (256→ 2048) enthält und vorzugsweise eindimensional ist (d. h. es handels sich um eine Photosensorreihe) unter das Lichtbündel zu positionieren. Bei Verwendung eines CCD-Liniendetektors ist auch der Platzbedarf des Messystems relativ gering, (im Vergleich mit den bis her bekannten Lösungen), wenn dabei noch berücksich tigt wird, dass die Bewegung keine besondere Genauig keit und Schwingungsfreiheit beansprucht und die Po sitionierung des CCD-Lichtsensors anhand der eigenen Signale des CCD-Lichtsensors erfolgt.It is relatively simple, the photosensor matrix that a relatively large number of sensor elements (256 → 2048) and is preferably one-dimensional (i.e. H. it is a series of photosensors) under to position the light beam. When using a CCD line detector is also the space requirement of the Measuring system relatively low, (compared to the known solutions), if this is still considered It is noted that the movement is not particularly precise stress and freedom from vibrations and the buttocks positioning of the CCD light sensor based on your own CCD light sensor signals.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated below by means of examples with reference to the accompanying drawing explained.
In der Zeichnung zeigen: The drawing shows:
Fig. 1 die relative Position der Photosensorreihe und des Lichtbündels, Fig. 1, the relative position of the photosensor array and the light beam,
Fig. 2 den relativen Abstand (X) zwischen Lichtbündel und Sensorzelle als Funktion des aus der Sen sorzelle ausgelesenen Photoexpositionswertes (E) (Resultat einer mittels Computer ermittel ten Simulation), Fig. 2 shows the relative distance (X) between the light beam and sensor cell as a function of sorzelle from the read Sen Photo exposure value (E) (the result of a computer simulation by means ermittel th)
Fig. 3 ein mögliches Flussdiagramm des erfindungsge mässen Verfahrens, Fig. 3 shows a possible flow chart of the method erfindungsge MAESSEN,
Fig. 4 ein Blockschema der erfindungsgemässen Anord nung, Fig. 4 is a block diagram of the voltage according to the invention Anord,
Fig. 5 eine mögliche Ausführung der Führung der er findungsgemässen Anordnung, schematisch, Fig. 5 shows a possible embodiment of the guide of he inventive arrangement schematically,
Fig. 6 die Anordnung eines Filters oder eines Spie gels auf dem CCD-Lichtsensor der erfindungsge mässen Anordnung. Fig. 6 shows the arrangement of a filter or a mirror on the CCD light sensor of the arrangement according to the invention.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird ein Lichtbündel 3 (Fig. 1) auf eine (einzige) Photosensorreihe 1 a einer Photosensormatrix 1 gerich tet, wobei der Durchmesser D des Lichtbündels 3 (d.h. die zu der Photosensorreihe 1 a parallele Breite des Lichtbündels 3) gemessen wird, während die Photosen sormatrix 1 zu ihrer Photosensorreihe 1 a parallel in Richtung des Pfeiles 2 bewegt wird. Aus den Photosen sorelementen der Photosensormatrix 1 wird in bestimm ten Zeibabständen (Expositionszeit) der Photoexposi tionswert (darunter ist das zeitliche Integral der auf das Photosensorelement fallenden Lichtleistung zu verstehen) zwischen zwei Abtastungen ausgelesen. Die jenigen Photosensorelemente, die sich bereits unter dem Lichtbündel vorbeibewegt haben exponieren sich mit einem (von der augenblicklichen Geschwindigkeit ihrer Bewegung abhängigen) maximalen Expositionswert. Diejenigen Photosensorelemente, die von dem Lichtbün del während der Expositionszeit noch nicht getroffen wurden, exponieren sich dagegen mit einem minimalen (Hintergrund und dunkel) Niveau.When carrying out the method according to the invention, a light bundle 3 ( FIG. 1) is directed onto a (single) photosensor row 1 a of a photosensor matrix 1 , the diameter D of the light bundle 3 (ie the width of the light bundle 3 parallel to the photosensor row 1 a ) is measured while the Photosen is moved sormatrix 1 parallel in the direction of arrow 2 to its photosensor array 1 a. From the photosensor elements of photosensor matrix 1 , the photoexposure value (including the temporal integral of the light output falling on the photosensor element) is read out between two scans at certain intervals (exposure time). Those photosensor elements that have already passed under the light beam are exposed to a maximum exposure value (depending on the instantaneous speed of their movement). On the other hand, those photosensor elements that have not yet been hit by the light beam during the exposure time are exposed to a minimal (background and dark) level.
Diejenigen Photosensorelemente, die sich während des am Ende der Expositionszeit erfolgenden Auslesens (Abtastens) gerade unter dem Lichtbündel befinden (teilweise oder vollkommen) nehmen einen Übergangs- Photoexpositionswert an, der durch ein raum- und zeit abhängiges Konvolutionsintegral, das aus der Intensi tätsverteilung des Lichtbündels und der von der loka len Stelle (die Photoempfindlichkeit der einzelnen Punkte des gesamten Bereiches des Sensorelementes ist unterschiedlich) abhängigen Photoempfindlichkeitsver teilung der Sensorelemente errechnet wird, bestimmt ist, es gilt:Those photosensor elements that are during the reading at the end of the exposure period (Scanning) are just under the light beam (partially or completely) take a transitional Photoexposure value based on a space and time dependent convolution integral, which from the Intensi distribution of the light beam and that of the loca len position (the photosensitivity of the individual Points of the entire area of the sensor element different) dependent photosensitivity ver division of the sensor elements is calculated, determined is, the following applies:
wobei der Mittelpunkt (O,O) des Koordinatensystems dem geometrischen Mittelpunkt des Lichtflecks entspricht,the center (O, O) of the coordinate system corresponds to the geometric center of the light spot,
E (X)- der Expositionswert, beiX = x₀ + v t E - Kantenübergangsposition, v- die Geschwindigkeit des Sensorfensters in x-Richtung, x₀- die Anfangsposition der Eintrittskante des Sensorfensters am Anfang der Expositionsdauer, I(x,y)- die Intensitätsverteilung des Lichtfleckes, g₁ und g₂- die Photoempfindlichkeitsverteilung eines Photosensorfensters in x-, bzw. y-Richtung, t E = - die Expositionsdauer, wobei d- die Fortbewegung der Photoelemente der Photosensorreihe zwischen zwei einander folgenden Expositionen (in x-Richtung). E (X) - the exposure value, at X = x ₀ + vt E - edge transition position, v - the speed of the sensor window in the x direction, x ₀- the starting position of the leading edge of the sensor window at the beginning of the exposure period, I (x, y) - The intensity distribution of the light spot, g ₁ and g ₂- the photosensitivity distribution of a photosensor window in the x or y direction, t E = - the duration of exposure, where d - the movement of the photo elements of the photosensor series between two successive exposures (in x -Direction).
Wenn nun die Intensitätsverteilung I(x,y) in Abhängigkeit von x und y separiert werden kann, kann die Funktion E(X) vereinfacht werden. Es gilt dann:If the intensity distribution I (x, y) can now be separated as a function of x and y , the function E (X) can be simplified. The following then applies:
wobeiin which
I x (x) - die Funktion der Lichtintensität in x-Richtung, A - eine sich aus der Integrierung in y-Richtung ergebende Konstante sind. I x (x) - the function of the light intensity in the x direction, A - are a constant resulting from the integration in the y direction.
Aus diesen Übergangsexpositionswerten wird eine Sta tistik aufgestellt. In der Fig. 2 ist eine Inverse einer Computersimulation des obigen Konvolutionsinte grals veranschaulicht, für Laserbündel mit Gauss-Vertei lung, wobei auf der waagerechten Achse die relativen Expositionswerte (deren Maximum 50 beträgt) und auf der senkrechten Achse der augenblickliche Abstand zwischen der Eintrittskante des Sensorelement-Fensters und der Mitte des Lichtbündels im Zeitpunkt der Ab tastung (des Auslesens) des Sensorelementes angegeben sind. Bei dieser als Beispiel erwähnten Rechenmethode wird die Expositionszeit so gross gewählt, dass am Anfang der Exposition (bei der vorhergehenden Ab tastung) noch kein erwähnenswertes Licht aus dem zu messenden Lichtbündel auf die mit dem Übergangs-Expo sitionswert ausgelesenen (abgetasteten) Sensorelemen te auftrifft (Das ist auch in der Praxis der Fall). In der Fig. 2 wurde mit D der Durchmesser des Licht bündels, mit S die Übergangsbreite der als sinusoidal betrachteten Eintrittskante des Sensorfensters ge kennzeichnet.Statistics are compiled from these transitional exposure values. In Fig. 2, an inverse of a computer simulation of the above convection ink grail is illustrated, for laser beams with Gaussian distribution, the relative exposure values (the maximum of which is 50) on the horizontal axis and the instantaneous distance between the leading edge of the vertical axis Sensor element window and the center of the light beam at the time of the scanning (reading) of the sensor element are specified. In this calculation method mentioned as an example, the exposure time is chosen so long that at the beginning of the exposure (with the previous scanning) no light worth mentioning from the light beam to be measured strikes the sensor elements read (scanned) with the transition exposure value ( This is also the case in practice). In Fig. 2 with D the diameter of the light beam, with S the transition width of the sinusoidal leading edge of the sensor window was identified.
Die in Abhängigkeit von den Expositionswerten (E) aufgenommene statistische Verteilungsfunktion ist bei gleichmässiger Bewegung (konstante Geschwindigkeit) zu derjenigen Funktion X(E) in Fig. 2 proportional, welcher der gleiche Durchmesser (D) des Lichtbündels zugehört.The recorded as a function of the exposure values (E) statistical distribution function is proportional with uniform motion (constant speed) to that function X (E) in Fig. 2, which is the same diameter (D) belongs to the light beam.
Während der Messungen kann aus der statistischen Ver teilung der Übergangs-Expositionswerte ermittelt wer den, welcher für den Durchmesser D charakteristischen Kurve die aus den gemessenen Werten gefertigte Sta tistik entspricht, anhand dessen ist der Durchmesser des Lichtbündels mit bestimmter Genauigkeit ermittel bar. Die Genauigkeit der Messung hängt von der techno logischen Genauigkeit (Fenster, Breite, Photoempfind lichkeit, S-Parameter), sowie von der Anzahl der aus gewerteten Photoexpositionen ab.During the measurements, the statistical distribution of the transitional exposure values can be used to determine which characteristic curve for the diameter D corresponds to the statistics produced from the measured values, on the basis of which the diameter of the light beam can be determined with certain accuracy. The accuracy of the measurement depends on the technological accuracy (window, width, photosensitivity, S-parameters), as well as on the number of photoexposures evaluated.
Bei der Durchführung des Verfahrens kann - wie in dem Flussdiagramm in Fig. 3 angegeben - vorgegangen wer den, folgende Verfahrensmassnahmen werden dann in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt:When carrying out the method, as indicated in the flowchart in FIG. 3, the following method measures are then carried out in the order given:
- a) Positionierung des Lichtbündels auf die Photosen sormatrix 1 (vorzugsweise einen CCD-Lichtsensor)a) positioning the light beam on the photosensor matrix 1 (preferably a CCD light sensor)
- b) Bewegen der Photosensormatrix 1 parallel zu ihrer Photosensorreihe 1 a b) moving the photosensor matrix 1 parallel to its photosensor row 1 a
- c) Starten des Messens, Löschen der Zählerspeicher des Auswertesystems (Rechner)c) Start the measurement, delete the counter memory of the evaluation system (computer)
- d) Einstellen der Anzahl der Messungend) Setting the number of measurements
- e) Auslesen der Werte der photoelektrischen Signale aus der Photosensormatrix 1 in der Reihenfolge der Sensorelementee) Reading out the values of the photoelectric signals from the photosensor matrix 1 in the order of the sensor elements
- f) Separieren der photoelektrischen Signale der Sen sorelemente (gemäss verschiedener Komparationspe gel in 1, 2, ..., n Pegelbereiche) durch Kompara tion oder analog-digitale Umwandlungf) Separation of the photoelectric signals of the sensor elements (according to different comparative levels in 1, 2, ..., n level ranges) by comparison or analog-digital conversion
- g) Zuordnen der gemessenen und gequantelten Werte zu je einem 1, 2, ..., n Speicher auf die Weise, dass die in dem entsprechenden 1, 2, ..., n Speicher gespeicherte ganze Zahl um 1 erhöht wird (zu Be ginn jeder Messreihe werden diese zählenden Spei cher gelöscht, siehe Punkt c)g) assigning the measured and quantized values to a 1, 2, ..., n memory each in such a way that the integer stored in the corresponding 1, 2, ..., n memory is increased by 1 (to Be These counting memories are deleted at the beginning of each series of measurements, see point c )
- h) Überprüfung, ob die vorgegebene Anzahl Messungen (Auslesungen, Abtastungen) durchgeführt wurde, wenn dies nicht der Fall ist, wird das Abtasten der photoelektrischen Werte aus den Sensorelementen fortgesetzt, im entgegengesetzten Fall, d.h. wenn die vorgeschriebene Anzahl Messungen durchgeführt wurde, wird die in den zählenden 1, 2, ..., n Speichern gespeicherte Häufigkeitsverteilungsfunk tion mit den zu den verschiedenen Lichtbündel durchmessern gehörenden und ebenfalls in Speichern gespeicherten 1, 2, ..., k Etalonverteilungsfunk tionen verglichen, wobei k=1, ..., M (M = die Anzahl der Etalonverteilungsfunktionen). Als Durchmesser des geprüften Lichtbündels wird derjenige Wert be wertet, dessen zugehörige Etalonverteilungsfunk tion mit der gemessenen Verteilungsfunktion den grössten r 1, ..., r M Korrelationskoeffizienten aufweist (in der Fig. 3 ist r min = ein von der Messgenauigkeit abhängender minimaler Korrelations koeffizient)h) Checking whether the predetermined number of measurements (readings, scans) has been carried out, if this is not the case, the scanning of the photoelectric values from the sensor elements is continued, in the opposite case, ie if the prescribed number of measurements has been carried out, the in the counting 1, 2, ..., n stores stored frequency distribution functions compared with the 1, 2, ..., k etalon distribution functions belonging to the different light bundle diameters and also stored in stores, where k = 1, ... , M (M = the number of etalon distribution functions). The diameter of the tested light bundle is the value whose associated etalon distribution function with the measured distribution function has the largest r 1 , ..., r M correlation coefficient (in FIG. 3, r min = a minimal correlation coefficient that depends on the measurement accuracy )
- i) wenn sich bei der Bewegung der die photoelektri schen Signale (zum Beispiel Expositionswerte) lie fernden Photosensormatrix die Bewegungsgeschwindig keit auf die Weise ändert, dass die Änderung für die Dauer eines Abtastzyklus vernachlässigbar klein ist, wird bei der unter dem Punkt g) erwähnten Zu ordnung nicht der Expositionswert (2. Gleichung E(X)) sondern das Produkt dessen mit der augen blicklichen Geschwindigkeit (E(X) v(t)) verwendet.i) if the movement of the photoelectric signals (for example exposure values) supplying the photosensor matrix changes the speed of movement in such a way that the change for the duration of a scanning cycle is negligibly small, the Zu mentioned under point g ) order not the exposure value (2nd equation E (X)) but the product of which is used at the current speed (E (X) v (t)) .
Ein besonderer Vorteil der Messung besteht darin, dass die relative Position der Photosensormatrix zu dem Lichtbündel und die Geschwindigkeit der Photosensor matrix anhand der eigenen Signale der Sensorelemente, durch Vergleich der Werte von zwei einander folgenden Abtastreihen bestimmt werden können, somit sind keine gesonderten Fühler und Messungen dazu erforderlich.A particular advantage of the measurement is that the relative position of the photosensor matrix to that Beam of light and the speed of the photosensor matrix based on the own signals of the sensor elements, by comparing the values of two successive ones Scanning series can be determined, so there are none separate sensors and measurements required.
Die mit den Methoden der Statistik erfolgende Auswer tung der Messergebnisse trägt dazu bei, dass das Mess verfahren auf störende Schwingungen und Ungleichmässig keit des Bewegens der Photosensormatrix 1 nur gering fügig empfindlich ist.The evaluation of the measurement results using the methods of statistics contributes to the fact that the measurement method is only slightly sensitive to disturbing vibrations and uneven movement of the photosensor matrix 1 .
Im Falle von 2000 Expositionen pro Sekunde, bei einem Rasterabstand der Photosensorelemente von 13 µm sind zur Messung des Durchmessers eines Lichtbündels von 1 µm (mit Gauss-Verteilung) mit einer Genauigkeit von 0,2 µm 12 Sekunden, bei einer Genauigkeit von 0,1 µm dagegen 58 Sekunden erforderlich. In diesem Falle wird nicht die gesamte statistische Kurve son dern es werden nur einige Intervalle derer mit ihren Mittelwerten berücksichtigt, dies ist aus messtechni schen Gründen einfacher und kostengünstiger.In the case of 2000 exposures per second, at one The grid spacing of the photosensor elements is 13 µm for measuring the diameter of a light beam from 1 µm (with Gaussian distribution) with an accuracy of 0.2 µm 12 seconds, with an accuracy of 0.1 µm required 58 seconds. In this The entire statistical curve is not trap only there will be some intervals of those with their Average values taken into account, this is from metrological reasons easier and cheaper.
Bevor die Photosensormatrix 1 in Bewegung gesetzt wird (bei noch stehender Matrix) oder danach (bei sich bewegender Matrix) erfolgt die sogenannte grobe Mes sung. Dabei wird der Durchmesser des Lichtbündels an nähernd bestimmt. Hierbei entspricht die Genauigkeit der Messung dem Rasterabstand der Sensorelemente. Die se Messung kann während einer einzigen Exposition durchgeführt werden durch Bestimmen der Anzahl der von dem Lichtbündel beleuchteten Photosensorelemente, hier bei werden noch keine Konvolutionsberechnungen durch geführt. Soll nun die Messgenauigkeit erhöht werden, wird die sogenannte Feinstmessung begonnen. Dabei wird mit Hilfe der obenbeschriebenen inversen Konvolutions rechnung anhand der in dem Speicher des Auswertesystems tabellenartig gespeicherten Daten aus den Übergangs- Expositionswerten eine Statistik aufgenommen und mit einer von der Anzahl der in die Statistik aufgenomme nen Werte abhängigen Genauigkeit der genauere Wert des Durchmessers des Lichtbündels bestimmt. Dieser Wert kann weitaus kleiner sein (:15) als die Zellen dimensionen der Sensorelemente.Before the photosensor matrix 1 is set in motion (with the matrix still standing) or afterwards (with the matrix moving), the so-called rough measurement takes place. The diameter of the light beam is determined approximately. The accuracy of the measurement corresponds to the grid spacing of the sensor elements. This measurement can be carried out during a single exposure by determining the number of photosensor elements illuminated by the light bundle; here no convolution calculations are carried out. If the measuring accuracy is to be increased, the so-called ultra-fine measurement is started. Statistics are recorded with the help of the inverse convolution calculation described above based on the data stored in the memory of the evaluation system from the transitional exposure values, and the more precise value of the diameter of the light beam is determined with an accuracy depending on the number of values included in the statistics . This value can be much smaller (: 15) than the cell dimensions of the sensor elements.
Da die Leuchtdichte des zu messenden Lichtbündels weitaus grösser als der Sättigungswert der Photosen sorelemente sein kann, ist es in diesem Falle vorteil haft vor der Photosensormatrix 1 einen eine entsprechen de Reflexionsfähigkeit aufweisenden Spiegel oder auf der Oberfläche der Sensormatrix ein starkes (OD-4) Filter in Abhängigkeit von der Leuchtdichte zu ver wenden. Die spiegelnden bzw. filternden Schichten be einflussen jedoch den Gang des Lichtstrahles, somit ist in Abhängigkeit von den Parametern des Spiegels bzw. des Filters die zur Auswertung verwendete (in den Speicher des Systems eingeführte) Tabelle zu mo difizieren.Since the luminance of the light beam to be measured can be far greater than the saturation value of the photosensor elements, in this case it is advantageous in front of the photosensor matrix 1 to have a mirror with a corresponding reflectivity or on the surface of the sensor matrix a strong (OD-4) filter to use depending on the luminance. However, the reflecting or filtering layers influence the path of the light beam, so depending on the parameters of the mirror or the filter, the table used for evaluation (introduced into the system memory) must be modified.
Bei einer anderen Durchführungsform des erfindungsge mässen Verfahrens ist das Lichtbündel impulsmässig moduliert. In another implementation of the fiction According to the process, the light beam is pulsed modulated.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens werden mit tels der Photosensorelemente nicht die Photoexposition (zeitmässiges Integral) sondern augenblickliche Werte (auf das Sensorelement fallende Lichtleistung) gemes sen.In a further variant of the method with not the photoexposure (contemporary integral) but instantaneous values (light output falling on the sensor element) measured sen.
Bei den zuletzt genannten zwei Varianten des erfin dungsgemässen Verfahrens wird als Grundlage der sta tistischen Auswertung nicht die inverse Funktion des Konvolutionsintegrals gemäss Fig. 2 verwendet sondern in Abhängigkeit von der relativen Lage des Lichtbün dels und des entsprechenden Sensorelementes zueinan der die inverse Funktion der auf die Sensorzelle fal lenden augenblicklichen Lichtleistung, d.h. die nume rischen Werte der Etalonverteilungsfunktionen weichen von den bei den Verfahrensschritten beschriebenen nu merischen Werten ab. Mit dieser Abweichung stimmen die Auswertung, die Vorteile und die Beschreibung der bei den obigen Varianten mit der zuerst geschriebenen Va riante des erfindungsgemässen Verfahrens überein, die allgemeinen Gesichtspunkte des weiteren Teils der Be schreibung sind auch für die zuletzt genannten beiden Varianten des Verfahrens gültig.In the latter two variants of the method according to the invention, the inverse function of the convolution integral according to FIG. 2 is not used as the basis for the statistical evaluation, but rather the dependent function of the relative position of the light beam and the corresponding sensor element is the inverse function of each other Sensor cell falling instantaneous light output, ie the numerical values of the etalon distribution functions differ from the numerical values described in the process steps. With this deviation, the evaluation, the advantages and the description of the variants of the method according to the invention written in the above variants match, the general aspects of the further part of the description also apply to the latter two variants of the method.
In der Fig. 4 ist ein Blockschema einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung ver anschaulicht.In FIG. 4 is a block diagram of a possible embodiment of the inventive arrangement is anschaulicht ver.
Die Photosensormatrix 1 - vorzugsweise ein CCD-Licht sensor - enthält voneinander in bestimmten Abständen in Reihe angeordnete Lichtsensorelemente, wobei die Photosensorreihe in dem Weg des Lichtbündels 3, zu die sem vorzugsweise senkrecht angeordnet ist. Die Photo sensormatrix 1 ist in Richtung des Pfeiles 2 zur Photo sensorreihe 1 a parallel bewegbar. Zur Sicherung dieser parallelen Bewegung ist die Halterung der Photosensor matrix 1 auf einer Führung 4 angeordnet. Die Photosen sormatrix 1 ist über eine Bewegungsstange 6 mit einem eine lineare Bewegung sichernden Antriebsorgan 5 in bewegungsübertragender Verbindung. Die konkrete Aus bildung des Antriebsorgans 5 betrifft das Wesen der Erfindung nicht, deswegen wird darauf hier nicht näher eingegangen. Als Antriebsorgan 5 kann ein beliebiges lineares Antriebsorgan mit bekannter Ausbildung ver wendet werden, zum Beispiel ein mittels einer elektro magnetischen Spule realisiertes lineares Antriebsorgan. Die Bewegungsgenauigkeit beeinflusst nicht die Genau igkeit der Messung. Der CCD-Lichtsensor 14 ist über ein Kabelbündel 7 mit einer CCD-Antriebseinheit 8 verbunden und über diese an ein mit einem Datenerfas sungsgerät versehenes Auswertesystem 9 geführt.The photosensor matrix 1 - preferably a CCD light sensor - contains light sensor elements arranged in series at certain intervals from one another, the photosensor row being arranged in the path of the light bundle 3 , to which it is preferably perpendicular. The photo sensor matrix 1 is movable in the direction of arrow 2 to the photo sensor row 1 a parallel. To secure this parallel movement, the holder of the photosensor matrix 1 is arranged on a guide 4 . The Photosen sormatrix 1 is a moving bar 6 secured to a linear movement of the drive member 5 in motion-transmitting connection. From the specific formation of the drive member 5 does not affect the essence of the invention, therefore it is not discussed here. Any linear drive element with a known design can be used as the drive element 5 , for example a linear drive element realized by means of an electromagnetic coil. The accuracy of movement does not affect the accuracy of the measurement. The CCD light sensor 14 is connected via a cable bundle 7 to a CCD drive unit 8 and via this to an evaluation system provided with a data acquisition device 9 .
In der Fig. 5 ist die Anordnung der Photosensormatrix 1 auf der Führung 4 näher veranschaulicht. Die Führung 4 ist mit Blattfedern 10, 11, 12, 13 versehen, wobei diese Blattfedern 10, 11 bzw. 12, 13 auf die mit dem Pfeil 2 angegebene Bewegungsrichtung der Photosensor matrix 1 senkrecht paarweise angeordnet sind, wobei das eine Ende der einen Blattfeder 10 bzw. 12 des einen Blattfederpaares fest eingespannt ist, während deren anderes Ende an der anderen Blattfeder 11 bzw. 13 des gleichen Blattfederpaares angeschlossen ist. Das an dere Ende der anderen Blattfeder 11 bzw. 13 ist an der Halterung der Photosensormatrix 1 befestigt. Die Blattfedern 10, 11, 12 und 13 sind miteinander aus tauschbar ausgebildet.The arrangement of the photosensor matrix 1 on the guide 4 is illustrated in more detail in FIG. 5. The guide 4 is provided with leaf springs 10 , 11 , 12 , 13 , these leaf springs 10 , 11 and 12 , 13 being arranged in pairs perpendicular to the direction of movement of the photosensor matrix 1 indicated by the arrow 2 , one end of the leaf spring 10 or 12 of a pair of leaf springs is firmly clamped, while the other end of which is connected to the other leaf spring 11 or 13 of the same pair of leaf springs. At the other end of the other leaf spring 11 or 13 is attached to the holder of the photosensor matrix 1 . The leaf springs 10 , 11 , 12 and 13 are interchangeable.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemässen An ordnung wird als Photosensormatrix 1 ein CCD-Lichtsen sor 14 verwendet.In one embodiment of the arrangement according to the invention, a CCD light sensor 14 is used as the photosensor matrix 1 .
Der CCD-Lichtsensor 14 ist mit einer die Sensorfläche schützenden Glasscheibe 15 versehen.The CCD light sensor 14 is provided with a glass pane 15 protecting the sensor surface.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung (Fig. 6) ist anstelle der Glasscheibe 15 ein eine hohe Reflexions fähigkeit (<99%) aufweisender Spiegel 15′ ange bracht.In one embodiment of the invention ( Fig. 6) instead of the glass sheet 15 a high reflectivity (<99%) having mirror 15 'is introduced.
Bei einer Variante der Anordnung ist die Glasscheibe 15 entfernt und auf der Sensorfläche des CCD-Licht sensors 14 ist ein Spiegel 16′ mit hoher Reflexions fähigkeit oder ein optisches Filter 16 (high density filter) mit hoher Dichte (<OD-2, d.h. Durchlassfähig keit <0,01) angebracht.In a variant of the arrangement, the glass pane 15 is removed and on the sensor surface of the CCD light sensor 14 is a mirror 16 'with high reflectivity or an optical filter 16 (high density filter) with high density (<OD-2, ie transmissive) speed <0.01).
Das erfindungsgemässe Verfahren und die zur Durch führung des Verfahrens dienende Anordnung weisen im Vergleich mit den bisher bekannten Lösungen folgende Vorteile auf:The inventive method and the through guidance of the method serving arrangement in Comparison with the previously known solutions following Advantages on:
- - Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens können Durchmesser von Lichtbündeln in einem weiten Bereich (1 µm-1 cm) bestimmt werden.- With the help of the inventive method Beams of light in a wide range (1 µm-1 cm) can be determined.
- - Der Platzbedarf der erfindungsgemässen Messanord nung ist äusserst gering, infolgedessen kann dieses ohne wesentliche Aenderungen des Systems in den Lichtweg eines funktionierenden optischen Systems (zum Beispiel optischer Speicher, Laserplattenspie ler, usw.) eingefügt werden.- The space requirement of the measuring arrangement according to the invention voltage is extremely low, as a result this can without significant changes to the system in the Light path of a functioning optical system (for example optical memory, laser disk game ler, etc.).
- - Die Bewegung der Photosensormatrix erfordert keine besondere Genauigkeit (die Genauigkeit der Schwin gungsbewegung der Photosensormatrix liegt in Ab hängigkeit von der Messgenauigkeit in einer Grös senordnung von 1%).- The movement of the photosensor matrix does not require any special accuracy (the accuracy of the Schwin movement of the photosensor matrix is in Ab depending on the measurement accuracy in one size order of 1%).
- - Es ist keine ausserordentlich genaue Einstellung erforderlich die Genauigkeit der Positionierung der Photosensormatrix zu dem Lichtbündel beträgt einige Mikrometer).- It is not an extremely precise setting required the accuracy of the positioning of the Photosensor matrix to the light beam is a few Micrometer).
- - Die Messanordnung fordert keine schwingungsfreie Ausführung (es sind Störschwingungen in der Grössen ordnung von Mikrometer zugelassen).- The measuring arrangement does not require vibration-free Execution (there are disturbing vibrations in the size order of micrometers permitted).
- - Das Messverfahren beansprucht ausser der Photosen sormatrix keine weiteren Sensorelemente.- The measurement procedure takes apart from the photos sormatrix no further sensor elements.
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