Frage an die Optikspezialisten

Effekte ohne Scanning, Farbmischung, Fasersysteme und andere optische Komponenten.
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jojo
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Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Di 19 Jan, 2016 2:16 pm

Ich beschäftige mich mit einer verstellbaren Fokussierung für Laserdioden auf einer Distanz von ca. 20 - 60cm.
Nun mal eine Frage an die Optiker unter Euch:
Wenn ich 2 kombinierte Linsen benutze, also eine zur Strahlaufweitung und eine zweite zur Fokussierung,
wie wirken sich die Einzelbrennweiten auf die endgültige Spotgröße aus?

Ich erhalte ja durch die Kombination ein Teleskop (Gauss oder Galileo sei jetzt mal egal).
Nun kann ich ja aber z.B. ein 5x Teleskop sowohl mit einer Kombination z.B. aus F=5 + F=25 oder auch mit F=50 und F=250mm
aufbauen.
Ändern tut sich natürlich die mechanische Größe bzw. die Abstände und auch der Verstellweg.
Aber was geschieht mit dem minimal erreichbaren Spot?
Ist der unabhängig von den Einzelbrennweiten immer gleich fokussierbar? Hmmm... :shock:

Würde eine Fokussierung eines kollimierten Strahls über ein Teleskop aus F=5+F=25mm auf eine Entfernung von z.B. 50cm
einen gleichen Spot ergeben wie ein Teleskop bestehend aus einer F=50+F=250mm Linsenkombination?

Hier mal eine Skizze:
Gleicher Eingangsstrahl, gleiche Distanz D.
Laserfokussierung01.jpg
Gruß

Joachim
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Di 19 Jan, 2016 2:49 pm

Und weils so einfach ist.. :wink:

..was passiert mit der Spotgröße wenn ich eine Lochblende nachschalte?
Laserfokussierung02.jpg
Gruß

Joachim
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von richi » Di 19 Jan, 2016 5:00 pm

Hi Joachim,

also grundsätzlich gilt, die Spotgröße ist auf jeden fall größer als die Wellenlänge hergibt.
Mit F50 und F250 erreichst du einen kleineren Spot als mit F5 F25. Je größer die Linsen umso kleiner der mögliche Spot.
Unendlich klein.... ok... unendlich große Linsen möchte ich jetzt nicht begegnen, außer du hast zugriff auf das Hubble.

Die Theorie mit der Lochblende ist interessant... könnte wirklich für verkleinerung sorgen.. probieren :-)
Das hätte auch was mit Beugungsbegrenzung zu tun.
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Fr 22 Jan, 2016 9:10 am

Danke Richi!

Weitere Antworten bzw. Erklärungen dürfen trotzdem abgegeben werden. :wink:

Gruß

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von JETS » Mi 27 Jan, 2016 11:29 am

Also aus Praktischen Versuchen (dafür lege ich meine Hand nichts ins Feuer) weiß ich noch dass der Spot kleiner wird wenn der Beam zunächst möglichst weit aufgeweitet wurde.
Ich hab das zwar damals mit 3 Linsen gelöst. Also 2 Linsen als Teleskop mit parallelem aufgeweitetem Beam am Ausgang Dann Spiegelführung über Koordinatentisch und 1 weitere Fokuslinse zum erzeugen des Spots. Bei einer Blende nach der Fokuslinse wurde der Spot nicht kleiner, sondern lediglich die Leistung niedriger. (Hier kannst Du ja mal Versuche machen indem Du eine Blende im Brennpunkt des Teleskopes schaltest oder was geschieht wenn Du den parallelen aufgeweiteten Strahl eindämmst)
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von VDX » Mi 27 Jan, 2016 12:06 pm

... ich verwende Beam-Expander beim Faserlaser, um einen kleineren Spot zu erreichen - nur mit einer Fokussierlinse mit FL=50mm habe ich z.B. einen Spot von 20µ ... wenn ich vorher eine Strahlaufweitung auf 1:2 oder größer mache (von 5mm auf >=10mm), bekomme ich einen Spot von 10µ oder etwas kleiner hin ... ab dann wird das messen etwas komplizierter :?

Blenden verwende ich bei Dioden, um störende Bereiche am Rand 'wegzuschneiden' - beim kollimierten Strahl heißt das, daß ich den mittleren Bereich mit der höchsten Leistung (ca. 90%) durchlasse, die typischen 'Flügel' bei den blauen 445nm-Dioden aber wegschneide, was denn auch die Leistungsverminderung bewirkt ...

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Mi 27 Jan, 2016 3:06 pm

Hi,

Danke für die Antworten!

Mein Problem ist, dass ich mit dem Objekt nicht sehr nahe an den Laserkopf herankomme.
Zudem wollte ich den Abstand variabel gestalten und somit benötige ich einen verstellbaren Fokus.
Das Problem mit kurzbrennweitigen Linsen ist dass die Verstellwege zu kurz werden.
Momentan verwende ich eine Kombination aus einer 30mm und einer 100mm Linse.
Ich kann damit über einen großen Verstellweg von ca. 50mm das Projektionsfeld von ca. 20cm bis 60cm verschieben.
Diese Kombination der Linse hatte ich eben da. Ob es aber vielleicht mit anderen Brennweiten einen besseren Spot gibt, war mir eben nicht ganz klar.

Die 2. Linse ist auf einem Schlitten montiert, der über eine Gewindestange bewegt werden kann. Somit kann ich den Fokus verstellen, ohne das Gerät zu öffnen.

Die Blende ist nicht zur Verringerung der Spots gedacht. Sie ist nötig, weil die Galvos ja weit entfernt vom Fokus sitzen und der Beam auf den Spiegel fast 10 Millimeter groß ist. Das geht an den Spiegeln vorbei und ich bekomme eine übles Gefeuere an Störreflexionen.
Die Blende sitzt daher vor den Galvos, im aktuellen Fall am Durchtrittsloch des Lasers durch die Grundplatte.
Im Brennpunkt des Teleskops kann ich nichts anbringen, weil ich ja 3 Laser RGB habe und diese trotz aller Mühe nie ganz exakt übereinanderliegen.
Also im Prinzip sitzt die Blende ja im quasi "parallelen" aufgeweiteten Strahl, genauso wie bei meiner Skizze ganz oben.
Mit kommt es so vor, als ob die Schärfentiefe im Projektionsfeld dadurch größer geworden ist. Also so wie bei einem Fotoapparat kleines Loch = große Schärfentiefe aber wenig Licht. Das käme mir natürlich sehr entgegen, weil ich durch das Galvoscanning ja eh eine spärische Fokusebene auf der Projektionsfläche habe.

Die Leistung am Ausgang spielt keine Rolle. Ich scanne mit Werten zwischen 1 und 5 Mikrowatt.

Anbei mal eine Skizze des Kopfes.
Das ganze ist an einer höhenverstellbaren Säule befestigt. Vielleicht kennen ja manche Fotografen noch die Vergrößerer.
Genau soll das gehen, nur dass anstelle von Lampe/Negativ der Laserscanner sitzt.
Belichterkopfschema01.jpg
So sah der Kopf in der Bauphase aus.
Er ist inzwischen fertig, aber ich hab noch keine neuen Bilder.
Step02_web.jpg
Ich habe derzeit keine Möglichkeit, die Spotgröße direkt zu messen.
Also muss ich am fertigen Resultat die Auflösung messen.
Ich werde mir aber da langfristig etwas bauen müssen. Denn das Fokussieren einer so feinen Linie nach Sicht ist fast unmöglich.

Gruß

Joachim
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von VDX » Mi 27 Jan, 2016 3:23 pm

... was für Dioden hat du? - Singlemode?

Und was für einen Spotdurchmesser bekommst du in 600mm hin?

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von Offenbarungsjoe » Mi 27 Jan, 2016 3:50 pm

Bei Laserstrahlen gibt es eine Gleichung, die dir die Spotgröße im Fokus einer Linse beschreibt:
Größe des Strahls im Fokus = Brennweite der Linse * Wellenlänge des Lasers / Pi / Größe des Strahls auf der Linse
Hieran sieht man direkt, dass größere Brennweite zu größerem Spot führt und größerer Strahldurchmesser auf der Linse zu kleinerem Strahldurchmesser im Fokus.
Wenn du dein System zum Variieren der Spotgröße mit zwei Linsen aufbaust, hast du das Problem, dass die Linsenbewegung mehrere Dinge gleichzeitig beeinflusst. Die Größe des Strahls auf der Linse wird sich ändern, da du nach der ersten Linse keinen kollimierten Strahl mehr hast, die Position des Brennpunkts wird sich ändern und die Spotgröße im Brennpunkt wird sich ändern. Wenn für deine Anwendung egal ist, wo sich der Fokus genau befindet und du nur in einer festen Ebene irgendwie den Spotdurchmesser ändern möchtest, kannst du bei zwei Linsen bleiben. Die optisch "saubere" Methode wäre ein variabler Beamexpander und eine anschließende Fokussierlinse. Wenn du nur einen möglichst kleinen Spot willst, dann reicht ein Beamexpander mit fest eingestellter Vergrößerung aus zwei Linsen, um den Strahl vor der Fokussierlinse aufzuweiten und wieder zu kollimieren.
Wenn du dir die Effekte anschauen möchtest, kann ich das Programm GaussianBeam (http://sourceforge.net/projects/gaussianbeam/) empfehlen. Damit sind solche einfachen Simulationen für die Beeinflussung von Laserstrahlen durch optische Elemente schnell aufgebaut, die Bedienung ist auch ziemlich intuitiv. Ansonsten helf ich damit auch gerne weiter.
Gruß,

Pascal

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jojo
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Mi 27 Jan, 2016 6:15 pm

VDX hat geschrieben:... was für Dioden hat du? - Singlemode?
Und was für einen Spotdurchmesser bekommst du in 600mm hin?
Ja, Singlemode.
Offenbarungsjoe hat geschrieben: Wenn für deine Anwendung egal ist, wo sich der Fokus genau befindet und du nur in einer festen Ebene irgendwie den Spotdurchmesser ändern möchtest, kannst du bei zwei Linsen bleiben.
Zunächst mal Danke, Pascal.
Natürlich ist es mir nicht egal, wo der Fokus sich befindet. :wink:
Ich will den möglichst genau auf meiner Projektionsfläche haben bzw. dort möglichst klein einstellen können.
Die saubere Lösung hat eben einen entscheidenden Haken: Wenn ich z.B. von 20cm auf 60cm Abstand verfahren will, dann brauche ich eine Brennweite der Fokuslinse von 600 Millimeter, welche dann um 400mm zurückfahrbar sein muss, um auf den kurzen Abstand 200mm zu kommen. Also 40cm mechanischer Verstellweg. Soviel Platz habe ich nicht.
Der zusätzliche Nachteil wäre, ich hätte IMMER eine Brennweite von 600mm, auch wenn ich nah ran will. Somit hätte ich auch bei kleinem Projektionsfeld den gleichen (wesentlich schlechteren) Spotdurchmesser.
Bei meinem Aufbau wird der Spot zwar mit steigendem Abstand größer, aber die Projektionsfläche auch. Somit habe ich immer den gleichen Bildinhalt in Pixel/Bildabmessung. Fokussiere ich näher, wird mein Spot kleiner und die DPI steigen an.
Ich werde mir auf jeden Fall mal das genannte Programm anschauen.

Ich brauche ja bei großer Entfernung (= großes Format) nicht die gleiche Spotgröße, weil die Bildpixel ja auch größer werden.
Wenn ein Bild 3600 Pixel an der Breitseite hat, dann kann ich das auf A4 Format mit 300DPI belichten.
Vergrößere ich auf A3, dann hat das Bild logischerweise nur noch 150DPI. Also kann auch mein Fokuspunkt doppelt so groß sein.
Es geht ja hier NICHT um Bearbeitung, wo ich eine bestimmte Leistungsdichte benötige, sondern um eine Belichtung.

Anbei noch ein Bild vom Kopf bei der ersten Inbetriebnahme.
Geometrical_Setup.jpg
Gruß

Joachim
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von Offenbarungsjoe » Mi 27 Jan, 2016 7:31 pm

Du brauchst also eigentlich das Laserequivalent einer Zoomoptik, die dir variable Brennweiten ermöglicht. Sowas ist glaube ich nicht wirklich einfach. Es gibt als mögliche Alternative sogenannte fokus-variable Linsen, die elektrisch angesteuert ihre Brechkraft verändern können. Sowas kostet aber nicht unter 2k€ und man müsste abklären, ob es für den Fokus-Hub ausreicht, den du dir vorstellst. Falls es dich interessiert kannst du bei Optotune oder Tag Optics reinschauen.
Ich denke, dass es am sinnvollsten ist wenn du bei deinem Ansatz bleibst und dir eventuell verschiedene Linsenkombinationen in GaussianBeam anschaust. Tendentiell hast du mit einer Paarung kleiner Brennweiten mehr Änderungen bei gleichem Verfahrweg, aber auch eine schnellere Strahlaufweitung zwischen den Linsen, so dass der Strahl hier eventuell zu groß wird. Ums Ausprobieren kommt man aber wahrscheinlich nicht rum - mir fällt jedenfalls kein Weg ein, mit vertretbarem Aufwand ein Optimum an Brennweitenpaarung auszurechnen.
Gruß,

Pascal

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von construct » Mi 27 Jan, 2016 9:24 pm

Im Prinzip ist es doch sowas wie ein varioScan der Firma Scanlab. Sowas wird in der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt, falls z.B. keine F-Theta Linse verwendet wird/werden kann. Da wird mittels verfahrbarer Linsen der Fokus jeweils nachgestellt. Ist aber leider auch nicht wirklich erschwinglich :(
MfG
Marcel

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von Offenbarungsjoe » Do 28 Jan, 2016 8:53 am

Hat aber in den meisten Ausführungen nicht den gewünschten Fokushub von 40cm. Die Varioscan-Systeme arbeiten meines Wissens nach auch mit 2 Linsen, von denen eine motorisch bewegt wird. Das ist der "übliche" Aufbau für Beamexpander in der Materialbearbeitung, da es dort häufig egal ist, ob jetzt wirklich der Fokus auf dem Werkstück sitzt. Das gilt zumindest für Schweißanwendungen, bei denen man mit einem 50µm-Spot nichts anfangen kann und einen viel breiteren Spot will. Diesen kann man einfacher durch defokussiern erreichen, als den Spot im Fokus auf eine entsprechende Größe aufzuweiten. Beim Markieren/Gravieren ist ein feiner Spot natürlich super, aber auch dort werden die Änderungen der Spotgröße bei Benutzung einer motorischen Fokuslagenanpassung hingenommen.

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » So 31 Jan, 2016 2:00 pm

VDX hat geschrieben: Und was für einen Spotdurchmesser bekommst du in 600mm hin?
Habe mal einen Belichtungstest gemacht.
Ein Liniengitter belichtet. Jede Linie entspricht exakt einer Pixelbreite der Bildvorlage.
Der Linienabstand (ein Kästchen) beträgt auf dem Ergebnis 1,6 Millimeter.
Projektionsabstand 55cm ab Scanner (ca. 65cm ab Fokuslinse).
Das Ergebnis gescannt mit 600DPI.
Scan-160131-0001.jpg
Da die Linien nicht scharf sind, sondern die Intenstität natürlich wie beim Gausstrahl abnimmt, kann ich die Breite nur schätzen.
Man sieht aber dass die Linienbreite ca. 6 Pixel beträgt, eher 4, weil man auch sieht dass die Farben nicht exakt übereinander liegen.
Die Auflösung ist also hier ca. 100 - 150 DPI, was zwischen 250µm und 170µm Spotgröße entspricht.
Ich kann mit meiner Software die 3 Farben nur Pixelweise verschieben. Einen halben Pixelversatz kann ich nicht korrigieren.
Scan-160131-0001_600DPI.jpg
Gemäß der Vorlage bei 3876 Pixeln auf 40cm Bildbreite wäre die Linienbreite 100µm. Die belichtete Auflösung ist also ungefähr die Hälfte der Auflösung der Vorlage. Bei diesem Fokusabstand.
Allerdings ist es auch so, dass ein Bild in der Größe von 30x40cm bei 100-150 DPI und normalem Betrachtungsabstand durchaus als "scharf" betrachtet werden kann.

Ein grundlegendes Problem habe ich noch: Beim Fokussieren habe ich momentan kein technisches Hilfsmittel und das Einstellen einer nur 0,2mm breiten Linie nach Sicht ist fast unmöglich.
Es ist also nicht gesagt, dass bei diesem Test der Fokus wirklich optimal eingestellt war.

Gruß

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von Eu1eOne » So 31 Jan, 2016 2:31 pm

@jojo

bei medialas gibt es eine elektronisch verstellbare linse, mit zweien davon wäre doch eine teleskop realsierbar, zwei analoge ausgänge zum steuern der linsen wäre ja denke ich kein thema
http://www.lasershop.de/Laseroptik/Koll ... e-407.html
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » So 31 Jan, 2016 3:02 pm

Danke.
Mein Problem ist allerdings nicht das Einstellen der Linsen, sondern das Erkennen der Linienbreite.
Ich brauche also erstmal so etwas wie einen preisgünstigen Beamprofiler.

Gruß

Joachim
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von mR.Os » So 31 Jan, 2016 3:10 pm

Also zumindest eine Beamprofiler Software gibts für lau: http://sourceforge.net/projects/beamprofiler/
Da mich sowas auch interressiert, hab ich auch mal ein wenig nach einer passenden Kamera gesucht, bin aber nicht wirklich fündig geworden. Ich weiß daher auch nicht, in welchem Preisbereich man sowas zu erwarten hat.

Aber da es auch dieses Projekt gibt: https://hackaday.io/project/8655-raspbe ... m-profiler muss man auch nicht all zu teure Kameras dafür verweden können (denke ich).

Vielleicht hat da ja jemand mehr Ahnung.
Beste Grüße
Andreas

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von VDX » So 31 Jan, 2016 4:25 pm

... ich habe mir seinerzeit 'Beamprofiler' aus SW-"Finger"-cams (60€ bei Conrad) mit kleinen CCD-Sensoren aufgebaut - die hatten teilweise Sensorpixel mit 3x3mm Größe, so daß ich meine 30-50µ großen Spots damit entweder direkt auf den Sensor oder auf einer matten Oberfläche über eine Mikroskop-Optik mit ausreichender Auflösung aufnehmen konnte.

Eine "Mikroskop-Optik" bei einer web-cam bekommst du ganz einfach, wenn du das beiliegende Objektiv herausschraubst, umdrehst, und mit etwas mehr Abstand als vorher (je mehr, desto 'micro') mit einem schwarzen Rohr wieder davorsetzt ...

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Mo 01 Feb, 2016 11:23 am

Sooo, mal das Ergebnis meiner ursprünglichen Frage hier:

1 Antwort (über privat) besagt, an der erreichbaren Spotgröße ändert sich nichts.
1 Antwort besagt, der Spot wird mit langbrennweitiger Kombination kleiner.
1 Antwort besagt, der Spot wird mit langbrennweitger Kombination größer.

Okäääääääy.... :roll:
Ist irgenwie so, als ob der Kandidat beim Publikumsjoker beim Jauch ein Ergebnis von 50% zu 50% bekommt. :wink:

Vielen Dank trotzdem.

Gruß

Joachim
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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von vakuum » Mo 01 Feb, 2016 11:49 am

Es sagten doch alle dass Antwort 2 stimmt?!? wer hat auf Antwort 3 getippt?

Je grösser der Strahl je kleiner kann man Fokussieren.

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von VDX » Mo 01 Feb, 2016 12:12 pm

... hab gerade gesehen, daß ich mich vorhin vertippt hatte :?
VDX hat geschrieben:... ich habe mir seinerzeit 'Beamprofiler' aus SW-"Finger"-cams (60€ bei Conrad) mit kleinen CCD-Sensoren aufgebaut - die hatten teilweise Sensorpixel mit 3x3mm Größe, so daß ich meine 30-50µ großen Spots damit entweder direkt auf den Sensor oder auf einer matten Oberfläche über eine Mikroskop-Optik mit ausreichender Auflösung aufnehmen konnte.
... das sollte natürlich "3x3µm" heißen :oops:

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Mo 01 Feb, 2016 12:25 pm

vakuum hat geschrieben:Es sagten doch alle dass Antwort 2 stimmt?!? wer hat auf Antwort 3 getippt?
Je grösser der Strahl je kleiner kann man Fokussieren.
Schon klar, je größer der Strahl bei GLEICHER Brennweite.
Der Strahldurchmesser war aber nicht die Frage, sondern die Brennweite.
Wenn langbrennweitige Linsen zu größerem Spot führen und man davon ausgeht dass der langbrennweitige Aufbau zwischen den Linsen zu einem dickeren Strahl führt, dann würde sich das aufheben, oder, wie ist diese Antwort sonst zu verstehen:
Offenbarungsjoe hat geschrieben: Hieran sieht man direkt, dass größere Brennweite zu größerem Spot führt und größerer Strahldurchmesser auf der Linse zu kleinerem Strahldurchmesser im Fokus.
Ihr geht alle immer nur von einem Faktor aus (EIN Strahl oder EINE Linse in EINEM Abstand etc. etc.).
Wennns natürlich soooooo easy wäre, hätt ich nicht gefragt. :wink: :wink:

Gruß

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von vakuum » Mo 01 Feb, 2016 4:44 pm

hehe Du hast recht.... das Wortspiel ist nicht so einfach..... ;-)

Die Zitierte Aussage von Offenbarungsjoe bezieht sich nur auf die zwei Linse nicht auf die Aufweitende davor!

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Re: Frage an die Optikspezialisten

Beitrag von jojo » Mo 01 Feb, 2016 7:21 pm

VDX hat geschrieben: ... das sollte natürlich "3x3µm" heißen :oops:
Keine Sorge - war schon klar. :wink:
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