Präsentation der Diplomarbeit von Michael Löffler. Lehrstuhl für Photonische Technologien Diplomarbeit 2009/008 von Michael Löffler

Transkript

1 Realisierung und Erprobung eines Messsystems zur Erfassung des Einfallswinkels bei der Observation von Lichtquellen schwankender Intensität durch eine einzelne Glasfaser Präsentation der Diplomarbeit von Michael Löffler

2 Gliederung Motivation und Zielsetzung Abstandsmessprinzip Aufbau des Prototyps Untersuchungen zum Sensorverhalten Versuchsaufbau Laserschneidprozess Zusammenfassung 2

3 Motivation der Arbeit Erfassung des Einfallswinkels bei der Observation von Lichtquellen schwankender Intensität durch eine einzelne Glasfaser Anwendung bei der Laserbearbeitung Messung der Fokuslage als Abstand des Prozessleuchtens vom Fokuspunkt Voraussetzung: Prozessleuchten direkt auf der Oberfläche 3

4 Abstandsmessprinzip Lichtfleck bewegt sich auf einer definierten Geraden Sensor misst Position z des Lichtflecks auf der Geraden als Änderung des Einfallswinkels ε von Licht in eine MultimodeFaser 4

5 Erfassung des Lichts am Faserende Normalfall: Aus einfallendem Licht wird Abstrahlkegel Licht wird am schrägen Faserende durch Brechung aufgeteilt Separate Erfassung beider Strahlteile mit Hilfe von Fotodioden Der Quotient q(z) aus den Einzelsignalen der Dioden ist unabhängig von der Lichtintensität 5

6 Berechnung von z aus dem Messquotienten Umkehrfunktion nötig, um z aus q(z) bestimmen zu können q(z) analytisch schwer zu berechnen Fitting der Messkurve mittels Gauss-NewtonVerfahren Umkehrung durch vertauschen der Achsen vor dem Fitting 6

7 Simulation des Strahlengangs Strahlverfolgung gemäß den fresnelschen Formeln zum Reflexions- bzw. Transmissionsgrad von elektromagnetischen Wellen an dielektrischen Grenzächen Vereinfachung: Ebene Gewählter Schliffwinkel: 42,9 7

8 Gestaltung der Lichtstrecke Einkopplung Beengte Verhältnisse aufgrund ungünstiger Düsengestaltung Horizontaler Abstand: 15 mm Vertikaler Abstand: 1 mm Neigung zur optischen Achse: 74 Auskopplung Ausrichtung anhand Simulationsdaten Fotodioden spiegelnd Winkel zwischen Dioden: 110 Berührungsstelle schwarz abgeklebt 8

9 Elektronik des Prototyps Blackfin 537 Stamp Board 500 Mhz, 64 MB Ram µclinux, echtzeitfähig Ansteuerung externer ADWandler über Bussystem mit Adapterplatine Kernelmodule zum Auslesen der Messdaten in Echtzeit und zum Speicherzugriff 9

10 Messkurve in Abhängigkeit vom Abstand z Mikrometertisch mit LED wird unter der Faserstirn verfahren Abstand: 15 mm Weitgehende Symmetrie zur Faserachse 10

11 Messabweichung Große Messabweichung und starkes Rauschen am blinden Fleck F < 20 µm für den genutzten Teil der Messkurve 11

12 Modulation der Lichtintensität Eingangsspannung einer LED wird moduliert Messsignal bleibt nahezu unverändert F < 0,4 µm 12

13 Laserschneiden von Keramik Fokusfehler von 2mm Messfehler beim Abbremsen bzw. Beschleunigen Intensitätsschwankungen gut kompensiert 13

14 Laserschneiden von Glas Fokusfehler bis 4mm messbar Messfehler bei Beschleunigung des Lasers 14

15 Abhängigkeit von der Verfahrrichtung Schneiden von Kreisen Erfasster Lichtfleck ist kein Punkt Nachleuchten beim Überstreichen der Fuge besonders störend 15

16 16 Zusammenfassung Messung des Einfallswinkels von Licht in eine Faser durch die Strahlteilung am schräg angeschliffenen Faserende Bestimmung der Messkurve im Experiment und Berechnung der Umkehrfunktion durch Fitting mit dem Gauss-Newton-Verfahren Abhängigkeit von Lichtstärkeschwankungen sehr gering Erreichbare Genauigkeit für Fokuslagenkontrolle ausreichend Probleme bei Messungen am Prozess: Die Position des Lichtflecks kann vom Schnittpunkt der optischen Achse mit der Werkstückoberfläche abweichen

17 Realisierung und Erprobung eines Messsystems zur Erfassung des Einfallswinkels bei der Observation von Lichtquellen schwankender Intensität durch eine einzelne Glasfaser Noch Fragen? Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 17