Требуется датчик с частотой порядка 20Гц для стабилизации размера и положения лазерного пучка с длиной волны 10 микрон. Решение должно быть недорогим (в пределах 30 тыс. руб). Пока мне кажется наиболее целесообразным испольльзовать либо квадрантный ИК датчик с цилиндрической оптикой - вроде как в СД плейере система (минус дорогая оптика), либо матричный термопарный приемник 4х4 или с большим разрешением. Может у кого есть еще какие-то идеи?
Энергия там достаточная. Охлаждение недопустимо.

я чтото не понял - а как вы собираетесь размер мерять спомощью 4 квадрантника?

Я собираюсь не мерить, а стабилизировать! Это большая разница. Т.к. размер зависит от дефокусировки, а для стабилизации планируется именно дефокус менять, то соответственно дефокус нужно и мерить. А дефокус как известно можно мерить квадрантным датчиком с цилиндрической линзой.
Есть тут одна загвоздка, связанная с модовым составом излучения. Но это выходит за рамки дискуссии о датчике :-)

поясните как вы одновременно собираетесь управлять положением и стабилизировать размер дефокусом - или я чтото не понимаю в ваших терминах?

С точки зрения теории тут никаких проблем нет. Делается корректор (оптический) углов и дефокуса, например с пьезоприводами. Что касается измерения, то угол определяется как нормированные разности Y: (I1+I2)-(I3+I4), X: (I1+I4)-(I2+I3); полагая, что квадранты нумеруются по частовой стрелке и верхний левый =1.
С дефокусом и цилиндрической оптикой (естественно ц-л оринтирована под 45град к осям детектора): (I1-I2)+(I3-I4)
Если вопрос, хватит ли одного датчика или надо ставить два, то вопрос открытый, хотя вроде вы должно хватить одного.
Небольшое поянение оптической части: комбинация из сферической и цил. линз дает до точки фокуса распределение вытянутов в одном направлении, а после фокуса в другом (перпендикулярном).

я чтото уже совсем себя потерял
угол вы найдете таким образом если ваш луч имеет одинаковую интенсивность в плоскости перпендикулярной лучу в зоне четырех квадрантника и интенсивность на элементе четырехквадрантника определяется исключительно диафрагмой в плоскости луча - для это луч должен быть плоской волной- с какого дуба у вас это выполняется? для дефокуса тоже примерно в этом ракурсе
таким образом я не понимаю ваши термины задача фокусировки луча и определения направления - поясните именно эти термины потому что дальше не понимая о чем идет речь лично мне говорить тяжело
что такое положение и стабилизация луча (или как вы там это называете)- определите что это такое в словесном описании

Стабилизация - означает коррекцию положения и размера пучка на исполнительном устройстве. Исполнительное устройство находится на подвижной относительно лазера каретке. При движении каретки луч уходит из центра цетра исполнительного устройства и дефокусируется.
Со стороны лазера можно установить корректор наклонов и дефокуса.
Наклоны будут корректировать положения луча, а дефокус совмещать плоскость перетяжки (где, как вы правильно заметили, пучок имеет плоский волновой фронт) с исполнительным устройством.
Т.о. в вашей терминологии апертурная диафрагма (выход лазера) установлена на некотором переменном расстоянии от исполнительного устройства, на которм и смонтирован датчик.
Кстати, для датчика углов совсем необязательно иметь одинаковую интенсивность в пятне. Достаточно, чтобы распределение имело круговую симметрию. Это в случае нашего лазера выполняется. Модуляция интенсивности по радиусу пятна приводит только к нелинейности датчика, что для системы стабилизации не критично.

замечательно - теперь вроде почти понятно - и в этом ракурсе возникают вопросы
как я понимаю вы предполагаете что дефокусировка будет приводить к перпендикулярным овалам до фокуса и после фокуса - а в районе фокуса вы хотите увидеть круг - я правильно вас понял?
в тоже время перпендикулярные овалы дефокусировки будут восприниматься вами и как децинтровка положения поскольку балансы будут говориь о якобы смещении луча поскольку ось овала не будет совпадать с осью вашего четырехквадрантника
или вы имеете чтото другое?
добавлю - овалы буду возникать изза косого падения луча или у вас углы отклонения очень малы?

Да, на счет круга все правильно. А деценрировка овала ведет себя так же как и деценрировка круга (если не считать разную чувствительность по осям). Это видно из формулок.

овал должен быть симметричным относительно осей четырехквадрантника - тогда будет так как вы говорите а иначе это будет не так


ерунду какую то сморозил - он и будет симметричным

а фокус вы хотите определять по симметрии после того как баланс наведения у вас выполнен? или как?

Можно и так делать. Это от алгоритма работы зависит, пока не ясно как получится. Не удалось найти (пока) качественных датчиков на этот диапазон.
Поэтому вообще я пока ориентируюсь на матричный приемник 4х4.

есть обзорчик по теме тепловизоров - могу поискать если нужен - могу поискать его
я все таки не понял как одновременно вы будете фокусировать и наводиться - вроде не получается одновременно
у меня аналогичная задача - только диапазон другой и расстояния большие - еще атмосфера влияет поэтому проблем с датчиком нет - а есть проблемы с алгоритмами

и еще какую точность вы хотите получать по углам и по фокусировке?

есть обзорчик по теме тепловизоров - могу поискать если нужен - могу поискать его
я все таки не понял как одновременно вы будете фокусировать и наводиться - вроде не получается одновременно
у меня аналогичная задача - только диапазон другой и расстояния большие - еще атмосфера влияет поэтому проблем с датчиком нет - а есть проблемы с алгоритмами

и еще какую точность вы хотите получать по углам и по фокусировке?

[/quote]
Получается по-моему. Чисто из теории у вас есть 4 сигнала, из которых надо найти 4 неизвестных (углы - дефокус + мощность нормировачная). Ну для примера - имеете вы эллипс под 45град. посчитали разность верхрей и нижней половин - нашли угол по Y, разность вертикальных половин - угол по X. Посчтитали "диагональные" разности - получили информацию про дуфокус. Конечно, при сильном смещении пятна из центра она будет неточна, но это и не беда для системы слежения - главное, чтобы знак был правильный.

Точность нужна по углу - 0.1 мрад.

Вы наверно "free space communication" хотите сделать? Там лучше датчик гартмана использовать.

[quote=andrey98,Oct 25 2005, 11:25]
есть обзорчик по теме тепловизоров - могу поискать если нужен - могу поискать его
я все таки не понял как одновременно вы будете фокусировать и наводиться - вроде не получается одновременно
у меня аналогичная задача - только диапазон другой и расстояния большие - еще атмосфера влияет поэтому проблем с датчиком нет - а есть проблемы с алгоритмами

и еще какую точность вы хотите получать по углам и по фокусировке?

[/quote]
Получается по-моему. Чисто из теории у вас есть 4 сигнала, из которых надо найти 4 неизвестных (углы - дефокус + мощность нормировачная). Ну для примера - имеете вы эллипс под 45град. посчитали разность верхрей и нижней половин - нашли угол по Y, разность вертикальных половин - угол по X. Посчтитали "диагональные" разности - получили информацию про дуфокус. Конечно, при сильном смещении пятна из центра она будет неточна, но это и не беда для системы слежения - главное, чтобы знак был правильный.

Точность нужна по углу - 0.1 мрад.

Вы наверно "free space communication" хотите сделать? Там лучше датчик гартмана использовать.

[/quote]
у меня уже работает с точностью 3 секунды(точность определяется искажениями оптики) но есть проблемы
при прохождении через атмосферу и неидеальность оптики образуются порядки и луч рассыпается на части и понять где луч очень тяжело

что касаемо ваших рассуждений то когда происходит разнаведение то понять дефокус нельзя и еще вы не с учитываете неидеальность оптики и когерентность луча которая тоже даст свои эффекты в образе луча

еще добавлю ведь когда не знаешь изза чего произошло разнаведение изза ухода цели или атмосферы то то непонятно что делать потому и получается неоднозначность

[quote=net,Oct 25 2005, 21:38]
[quote=andrey98,Oct 25 2005, 11:25]
есть обзорчик по теме тепловизоров - могу поискать если нужен - могу поискать его
я все таки не понял как одновременно вы будете фокусировать и наводиться - вроде не получается одновременно
у меня аналогичная задача - только диапазон другой и расстояния большие - еще атмосфера влияет поэтому проблем с датчиком нет - а есть проблемы с алгоритмами

и еще какую точность вы хотите получать по углам и по фокусировке?

[/quote]
Получается по-моему. Чисто из теории у вас есть 4 сигнала, из которых надо найти 4 неизвестных (углы - дефокус + мощность нормировачная). Ну для примера - имеете вы эллипс под 45град. посчитали разность верхрей и нижней половин - нашли угол по Y, разность вертикальных половин - угол по X. Посчтитали "диагональные" разности - получили информацию про дуфокус. Конечно, при сильном смещении пятна из центра она будет неточна, но это и не беда для системы слежения - главное, чтобы знак был правильный.

Точность нужна по углу - 0.1 мрад.

Вы наверно "free space communication" хотите сделать? Там лучше датчик гартмана использовать.

[/quote]
у меня уже работает с точностью 3 секунды(точность определяется искажениями оптики) но есть проблемы
при прохождении через атмосферу и неидеальность оптики образуются порядки и луч рассыпается на части и понять где луч очень тяжело

что касаемо ваших рассуждений то когда происходит разнаведение то понять дефокус нельзя и еще вы не с учитываете неидеальность оптики и когерентность луча которая тоже даст свои эффекты в образе луча

еще добавлю ведь когда не знаешь изза чего произошло разнаведение изза ухода цели или атмосферы то то непонятно что делать потому и получается неоднозначность

[/quote]
Совершенно согласен, когда есть атмосферные искажения возникает спекл-модуляция. Она все ОЧЕНЬ портит. В нашей задаче такого нет - установка промыщленная, для резки металла. На счет когерентности - у нас излучение состоит из 2-х мод, и для каждого экземпляра лазера их соотношение довольно ставильно, и в любом случае система может быть откалибрована при ближнем положении каретки к лазеру. А уходы у нас из-за неидеальности механики каретки.
Вообще я сам из лаборатории адаптивной оптики, так что если будет интерес можно повзаимодействовать и на счет вашей задачи.

адаптивная оптика требует известной картинки и по ней делают исправление оптики компенсирующии атмосферу - у меня такой картинки нет
да и луч может флуктуировать по амплитуде на 20 дб и более просто в атмосфере за при малой входной диафрагме
да и контраст луча относительно фона зашкаливает за 60 дб так что проблемы проблемы проблемы

Ну если у вас источник лазерный, то он по умолчанию "точечный", никакой дополнительной картинки не нужно. Флуктуирует лучь в атмосфере по двум причинам - рассеяние на аэрозолях (тут ничего не поделать) и фазовые искажения (их в определенных пределах можно скомпенстровать). Если вы просто пользуете квадрантный датчик в фокусе линзы, то пятно там настолько разваливается из=за искажений, что действительно могут быть проблемы. Есть методы, которые измеряют фазу вблизи плоскости зрачка, там флуктуации интенсивности значительно меньше.

флуктуации амплитуды возникают изза когерентности и разного оптического пути луча - интреференция - однако

Простите, что вламываюсь в сугубо профессиональное обсуждение, но иногда взгляд со стороны может оказаться полезным.
Рассмотрите такое предложение. В качестве датчика применить недорогую фотоматрицу ИК диапазона с умеренным разрешением и цифровым выходом. С помощью нее можно наблюдать всю картину пространственных частот. Далее использовать методы цифровой сигнальной обработки для получения на выходе сразу управляющего воздействия на эффекторы. Синтез алгоритма анализа и регулирования не должен составить большого труда, при его реализации можно использовать недорогой DSP с видеопортом, вроде BlackFin ($14). При выдаче выходного управляющего воздействия с частотой 20 Гц его хватит и на обмолот матрицы большого размера. Для устранения неоднозначности фокусировки, по-моему, никакой оптики вообще не потребуется (возможно, ошибаюсь), только луч должен всегда попадать на матрицу под углом. В противном случае, можно применить и цилиндрическую линзу. Такую систему можно сделать и адаптивной к разного рода возмущениям, при этом не потребуется никакой дорогостоящей оптики и механики.
Общую стоимость выходного продукта (датчик+анализатор+регулятор),не считая НИР и ОКР, можно оценить где-то в районе 100-150 бакинских.

осталось дело за малым найди дешевую матрицу на 10 микрон
а так никаких проблем нет

для справки матрица на 1.5 мкм стоит от 10000 зеленых и не продается по ограничениям департамента

кремний(из которого делают ИК матрицы) работает до 1 микрона (примерно)
дальше по законам физики требуются другие материалы

Понятно. А что, навроде болометрических и впрямь ничего нет?
ЗЫ. Перепутал 1 мкМ и 10 мкМ...
ЗЗЫ. А нельзя ли сделать на приемном конце механическую развертку (на том же дефлекторе)? У аналог девиц видел интегральное электростатически управляемое зеркало ф 1мм.
Хотя, 1 мм наверное, маловато...

конечно можно
только оптические механизмы с механикой - требуют высокие точности и стоят ВСЕГДА дорого
например банальный пъезик вроде все хорошо и просто - но его крепление - его основа приклеивают на ситал или еще чегото чтобы не было вибрации и звона и тд и тп
вообщем стоимость сразу уползает
когда делается оптическая система стоимость электроники всегда мизерная
но всегда почемуто ограничивают бюджет
банальный клин просветленный стоит дороже чем вся электроника с видео матрицей и процесором если рассмотреть до 1 микрона диапазон
так что надо всегда конкретно рассматривать

для примера устройтсво перемещение на пьезике на 100 мкм с 1 нанометровой точностью стоит порядка 3000 зеленых - на этом обычно делают автофокус у микроскопов - там на параллелограме из пьезика делают подвижку объектива
вообщем перефразируем пифагора - дайте мне денег и я сделаю все
а все дело в том что вечно приходится из дерьма конфетку делать

Простите, но здесь-то зачем такая точность ? Ведь стоит задача получения растра... Функциональную зависимость угла отклонения зеркала от напряжения и температуры можно "зашить" в анализатор, чтобы отделаться от ОС. Кроме того, можно поискать и в интегральном исполнении: у кого-то видел оптические кросс-коммутаторы на основе микрозеркал, матрица, по-моему, 16х16 (хотя, о цене не знаю).
В любом случае, на квадрантном датчике очень уж большой точности не получится.

на квадрантном датчике получают(реально работает) секундные точности

тема оптики нужно рассматривать всегда очень конкретно а не вообще - там слишком много ньюансов и парадоксов

А на каком расстоянии от источника?

звезда

И-и, не интересно. Установка для резки металла - не звезда. Уверен, на ней точность будет меньше минимум на порядок (это если оптика хорошая).

из других(работающих ) примеров
7 секунд на 500 метрах
и 2 секунды на 10 см

добавлю про звезду - это все отлаживалось в комнате размером метров 10
оптики они такие затейники -

Последний пример - действительно круто. Непонятно даже, что служило источником... И как боролись с неравномерностью чувствительности по площади датчика, ведь он должен, насколько я понимаю, давать точно определенную зависимость выхода от положения пятна на нем? Если же работать "по поддержанию нуля", тогда более понятно. Но все равно, лазерное пятно постоянно меняет свою форму...
Да, но для получения точечного источника (отнесения на бесконечность) все-таки нужна очень хорошая оптика, какую представить себе невозможно для промышленной установки, поэтому непонятно, что подразумевать под секундной угловой точностью в этом случае. Кроме того, убежден, что такая точность была получена в видимом диапазоне длин волн.

Также была упомянута проблема многомодовости. В случае применения отклоняемого зеркала, мне кажется, она может быть решена проще (линз может не потребоваться вовсе).

Вообщем, мы в начале продумывали поставить относительно быстрый сенсор и развертку на гальвано сканерах - отказались, поскольку датчик быстрый стоит недешево. Более того, все это монтировать надо на режущей голловке, которая бегает с приличным ускорением.
Вообщем, сейчас рассмативаем вариант - набрать из дискретных интегральных термапарных датчиков матрицу 5Х5 на печатной плате, с чувствительной областью больше размера пятна (это около 25мм), затем поставить микроконтроллер (типа Сигнала, например) который будет данные снимать и обрабатывать и передавать по последовательному интерфейсу в исполнительное устройство.

Если я правильно понял из предшествующего обсуждения, Вашей задачей является удержание лазерного пятна заданных параметров в заданном месте каретки? И при этом каретка может двигаться поступательно как ей вздумается? Если так, тогда вопрос: вычисляется ли
управляющее воздействие на корректоры наклона и дефокуса исходя только из отклонения формы и положения луча, или есть и другие воздействия (напр., механическая связь оси лазера и положения каретки или электрическая от приводов каретки)? Не являясь ни в коей мере специалистом по оптике, могу подсказать что-либо полезное при решении задачи управления в целом.

конечно можно и как вы предлагаете делать по положению каретки в пространстве делать управление лучом - но стоимость при такой точности системы будет дорогой - как мне кажется - поэтому дешевле по положению луча в квадрантнике делать -
в принципе надо всю задачу смотреть - скорость точность и тд и тп
требется ли обслуживание и тд и тп
вообщем то всегда есть желание начать говорить не о том что спрашивали - а о постановке задачи и правильном подходе ее решения - но тут столько ньюансов - что может быть правильным неправильное решение
можно например совместить 10 мкм и ИК лазеры через оптическую систему с авто калибровкой совмещения например перед началом работы и пропуская луч через единую систему вести настройку по ИК лазеру

Я делать так и не предлагаю вовсе, просто внимательно тему прочитал...

Предлагаю подождать ответа автора темы.

[

Спасбо за интересное обсуждение!

Изначально заказчик предполагал провести измерение разъюстировок при перемещении каретки и управялть приводами корректора по данным этих измерений. Затем от этого отказались (по видимомому нет стабильности разъюстировок).
Теперь предполагается поставить датчик на головку. Точность по положению и размеру пучка нужна 0.5мм (при размере пучка 25мм). Рассотяние от лазера до головки меняется от 1 до 20м. Пучок сейчас может уходить до 5мм. По размеру пучка (дефокусу) данных нет (можно только вычислить теоретически). Время настройки системы - не более 0.5 с.
Естественно в систему можно завести видимый лазер, но это не решит проблему размера пучка, поскольку дуплицировать расходимость (и модовый состав) СО2 лазера весьма затруднительно.
Что касется каретки, то ей управляет система ЧПУ, наверно туда можно как-то врезаться, но не желательно.

Простите, но Вы не ответили на главный вопрос (пост 31), а именно: опишите все связи между положением оси пучка и каретки. Вообще-то, не мешало бы вкратце узнать о самОм тех. процессе - лично мне он совершенно незнаком.

я это к примеру сказал
потому как например требование по наведению может быть более быстрым чем по фокусировке - или еще чего - вообщем лезть в чужой монастырь не зная ньюансов это лечить по фотографии - тем более часто решения носят исторические привязки
вообщем мне ваше решение сделать ручную матрицу это мне понятно сам так делаю в диапазоне 1ю5 микрона

Не очень понятно какие-такие взаимосвязи. Лазер сам по себе стационарен, и связан со столом на котором устанавливается заготовка. Дале от лазера через систему зеркал (2 установлены на каретке) излучение попадает в режущую голоку, и там фокусируется на заготовку. Режущая головка перемещается над столом по 2-м координатам (X-Y). Эти координаты известны (по крайней мере системе ЧПУ) с точностью 0.1 -0.05мм. В нужный момент лазер включается и система проводит лучем по контуру реза. Сама резка происходит с подачей кислорода в зону резки. Тогда прогретый лазером металл попросту сгорает.
Вот в кратце весь процесс.
Т.к. и размер пятна и его положение связаны с положением каретки (при заданной мощности лазера), то требования по скорости настройки для них одинаковы. И вытекают из требований к производительности станка.Т.е. по видимому заказчик может мирится с паузой в 0.5с после установки головки в рабочую позицию до начала реза. (реально там потерь не будет практически совсем, поскольку и сейчас там есть пауза некоторая).
Нам кажется, что размер пятна не так существенен для технологии, как уход его положения, но заказчик по точности наведения их не различает, поэтому надо соответсвовать ТЗ.
На счет обслуживания - главное требование, чтобы установка могла работать с выключенной системой стабилизации с сохранением исходных параметров.
Конструкция должна быть жесткой и не капризной, т.к. должна работать в цеху. Требования по максимальным ускорениям, пока до нас не довели.

Теперь более понятно (к сожалению, в предыдущем обсуждении не был указан ряд существенных моментов).
Положения луча связано с положением каретки во-первых (оптико)механически - подвижное зеркало(ла), во-вторых, с помощью корректора положения пятна со следящей системой.
Решение задачи управления в этом случае проще, чем можно было ожидать, исходя из обсуждения, и, думаю, его реализация не составит большой проблемы. Как и было Вами верно отмечено, главная загвоздка - датчик. Здесь, к сожалению, мало чем могу помочь... Может, пирометрические или болометрические датчики будут лучше термопар? У мураты посмотрите... Еще, по-моему, проблема с шагом датчиков - если они расположены в виде квадратной матрицы 5х5 с и пучок с ф25мм имеет близкое к равномерному распределение интенсивности по пятну, как отследить его смещение и дефокус ~0,5мм? Может, расположить чувствительные элементы в виде креста с "дыркой" посередине и гораздо меньшим шагом?
Простите, если советы слишком наивны.

Формально смещение считается по "центру массы" интенсивности, а размер - дисперсия. Естественно, все будет справедливо если нет изменения формы пучка.