WO2012130209A2 - Vorrichtung und verfahren zur erfassung und analyse von laserstrahlung - Google Patents

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WO2012130209A2
WO2012130209A2 PCT/DE2012/000283 DE2012000283W WO2012130209A2 WO 2012130209 A2 WO2012130209 A2 WO 2012130209A2 DE 2012000283 W DE2012000283 W DE 2012000283W WO 2012130209 A2 WO2012130209 A2 WO 2012130209A2
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detector
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detectors
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Wolfgang Rehm
Andreas Prücklmeier
Klaus Schertler
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    • G01S7/4804—Auxiliary means for detecting or identifying lidar signals or the like, e.g. laser illuminators

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for detecting and analyzing laser radiation. Such devices and methods are particularly important in optical metrology and analytics with laser in the free jet of importance.
  • Generic devices make it possible, for example, to detect a free-radiating, non-fiber-coupled laser and also to determine the direction of the incident laser beam.
  • the possible uses of such devices are both in civil as well as safety / military field, for example in the field of information transmission or metrology. In the military field, they can also serve to detect and, if necessary, assess threat situations.
  • Laser beam of a continuous wave laser can be determined. The described
  • Device comprises a diffraction grating, which the incident laser beam in a
  • the determined direction of incidence provides information about the location of the laser source.
  • the determined wavelength of the laser light allows a classification of the laser source in the technology used (diode laser, solid-state and fiber lasers, gas lasers, Raman, OPO), as for certain applications
  • the invention has for its object to provide a generic device and a generic method, with the laser radiation both from
  • CW lasers as well as pulse lasers can be detected and analyzed.
  • the object is, according to a first alternative, by a device for detecting and analyzing laser radiation, with at least one diffraction grating, at least one imaging optical system, and at least one detector, which has a multiplicity of
  • detector elements for detecting detector signals, in which the incident laser radiation is converted by the diffraction grating into diffractive radiation, and then directed by the imaging optics to the detector and generates there detector signals, wherein a readout unit is provided for reading out the detector signals of the detector between a low readout frequency in the range of 10 Hz - 100 Hz and a high readout frequency in the range of 500 Hz - 10 7 Hz several times per second, and an evaluation unit is provided, which is designed and set up, based on the detector signals thus read a to determine several or all of the following quantities: direction of incidence of
  • Laser radiation wavelength of laser radiation, frequency bandwidth of
  • Laser radiation pulse repetition rate of the laser radiation, pulse length of the laser radiation.
  • the object is according to a second alternative by a device for detecting and analyzing laser radiation, with at least one diffraction grating, at least one imaging optical system, and two or more detectors, each of a plurality of
  • Diffraction radiation is transmitted, which is then directed by means of the at least one imaging optics on the detectors and generates there detector signals, wherein a readout unit is present, the detector signals at least one of the two or more detectors with a temporally constant low readout frequency in the range of 10 Hz 100 Hz, and the detector signals another one of the two or more Detectors with a temporally constant high readout frequency in the range of 500 Hz - 10 7 Hz reads, and an evaluation unit is provided, which is designed and adapted to determine based on the detector signals thus read one, several or all of the following sizes: direction of incidence of Laser radiation, wavelength of the laser radiation, frequency bandwidth of the laser radiation, pulse repetition rate of the laser radiation, pulse length of the laser radiation.
  • the invention is therefore based on the idea of alternately reading out the detector signals of a detector between a low and a high readout frequency, or continuously reading out a first detector with a temporally constant low readout frequency and a second detector with a constant high readout frequency.
  • a first detector with a temporally constant low readout frequency
  • a second detector with a constant high readout frequency.
  • image data are generated in both specified alternatives which have different exposure times and frame rates, whereby an image is understood to be the entirety of the detector signals read out at a time by the detector or the image data generated therefrom.
  • the image data obtained in this way makes it possible to reliably distinguish whether the incident laser radiation originates from a continuous wave laser or a pulsed laser, the pulse duration predominantly typically in the range of 1 - 200 ns, 1 - 100 ns, 1 - 75 ns, 1 - 25 ns , in particular 5-50 nanoseconds (ns).
  • the inventive device can be realized in a compact design and low weight, so that their use in a ready range of use is possible.
  • an analysis system that is used both in laboratories and mobile outdoor use of civil and security technology.
  • An integration in flying manned and unmanned platforms, as well as space applications on satellites can be realized by the compact design.
  • An advantageous development of the device according to the invention according to the first alternative is characterized in that the read-out unit is designed and set up such that the change between the low read-out frequency f n and the high read-out frequency f h is not in the form of a changeover between the
  • Read-out frequencies ie the sequence: f n , f h , f n , f, fn ⁇ ⁇ takes place, but that
  • interposed predetermined read-only coefficients are inserted, ie according to the sequence: f n , f ,, f 2 ,... f j, f h , f h ... f 2 , f f n , if 2 , where ⁇ h ⁇ ⁇ fi. This allows an even more accurate determination of the pulse repetition rate or the pulse duration when pulsed laser radiation impinges.
  • the readout unit is preferably designed and set up in the device according to the invention according to the first alternative such that the change between the low and the high readout frequency within a second between 2 - 100 times, 2 - 50 times, 2 - 25 times, in particular 10 times ,
  • the device preferably comprises at least one beam splitter in the beam path between incident laser radiation and the detector (s).
  • this beam splitter can be arranged in front of two or more diffraction gratings in the beam path in order to direct or distribute the incident laser radiation onto the diffraction gratings.
  • the beam splitter can be connected directly downstream of a diffraction grating in order to direct or distribute the diffraction radiation produced by the diffraction grating to a plurality of imaging optics connected downstream of the beam splitter.
  • the beam splitter can finally be connected directly downstream of an imaging optical system in order to direct or distribute the diffraction radiation to a plurality of detectors.
  • Devices according to the invention are preferably designed and set up for detecting and analyzing laser radiation in the wavelength range from 780 nm to 1,600 nm, since most of the laser sources known today operate in the wavelength range specified above.
  • This design concerns both the selection of the corresponding diffraction gratings, the imaging optics, the detectors and, if necessary, the / the beam splitter / s, as well as the corresponding adaptation of the evaluation algorithms in the evaluation unit.
  • the person skilled in these relationships are known, so that is omitted at this point to a more detailed explanation.
  • can Device for special tasks also be tuned to a larger, a smaller and / or a corresponding shifted wavelength range. These are well-known measures that require no further explanation here.
  • CMOS or CCD detectors are used for a device according to the invention.
  • the detector elements can be arranged flat or linear, i. For example, as a detector element array or arranged in a row
  • two or more detectors of different types or made of different materials, and therefore different properties such as. Sensitivities, response times, dead times, etc. have. Particularly preferably, at least two of the detectors have different
  • the evaluation unit can be designed and set up in such a way that, in the case of the detector signals read out with the high readout frequency, data is reduced before their analysis.
  • This data reduction can be effected, for example, by summing or averaging the detector signals of a predetermined number of adjacent detector elements or generally calculating them with one another. In this case, a plurality of detector signals are combined to form a signal.
  • all methods of data reduction known to the person skilled in the art are additionally or alternatively applicable depending on the present concrete task.
  • the procedural part of the object is achieved according to a first alternative by a method for detecting and analyzing laser radiation with a device comprising at least one diffraction grating, at least one imaging optics, and at least one detector comprising a plurality of detector elements for detecting
  • Detector signals comprises, wherein the incident laser radiation is converted by the diffraction grating into diffractive radiation, which is then directed by the imaging optics to the detector and generates there detector signals.
  • the method according to the invention comprises the following steps: readout of the detector signals detected by the detector, wherein the readout frequency is repeated several times per second between a low readout frequency in the range of 10 Hz - 100 Hz and a high Readout frequency in the range of 500 Hz - 10 7 Hz changes, and on the basis of the thus read detector signals, determining one, several or all of the following variables: direction of incidence of the laser radiation, wavelength of the laser radiation,
  • Pulse length of the laser radiation Pulse length of the laser radiation.
  • the procedural part of the object is achieved according to a second alternative by a method for detecting and analyzing laser radiation with a device comprising at least one diffraction grating, at least one imaging optics, and two or more detectors each having a plurality of detector elements for detecting
  • Detector signals comprise comprises, wherein the incident laser radiation is converted by the at least one diffraction grating into diffraction radiation, which is then directed by means of the at least one imaging optical system to the detectors and generates there detector signals.
  • the method comprises the following steps: reading the detector signals detected by one of the detectors with a temporally constant low readout frequency in the range of 10 Hz-100 Hz, and the
  • Detector signals of a further one of the two or more detectors with a temporally constant high readout frequency in the range of 500 Hz - 10 7 Hz and based on the thus read detector signals, determining one, several or all of the following variables: direction of incidence of the laser radiation, wavelength of the laser radiation,
  • Pulse length of the laser radiation Pulse length of the laser radiation.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation for explaining the inventive
  • FIG. 3 is a schematic representation of a device according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of a device according to the invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of a device according to the invention.
  • Fig. 6 is a schematic diffraction pattern on the detector D.
  • Fig. 7 shows the intensity distribution of the diffraction pattern of Fig. 6 on the
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention according to the first embodiment.
  • the device consists of a diffractive grating G, an imaging optic O, a two-dimensional imaging
  • the incident laser radiation 101 (of course, in addition to other background radiation) is transferred to diffraction radiation 102 after passing through the diffraction grating G.
  • the diffraction grating G divides the incident laser radiation 101 into a plurality of orders, wherein the diffraction grating G can be dimensioned one-dimensionally or multi-dimensionally. In the one-dimensional case, the laser radiation 101 in several
  • Diffraction grating G are several grids arranged one behind the other and twisted.
  • a multidimensional Diffraction grating G is a cross lattice in which a grating is arranged rotated by 90 degrees to the second.
  • the optical system O has the task of limiting the diffraction beams (diffraction radiation) 102 to a specific diameter by means of a lens diaphragm and of focusing and / or imaging high-resolution and efficient on the detector D by means of a correspondingly adapted lens system.
  • the read-out unit A is embodied and set up such that for reading the detector signals of the detector D between a low readout frequency in the range of 10 Hz-100 Hz and a high readout frequency in the range of 500 Hz-0 7 Hz several times per second in predetermined or known Way is changed.
  • a low readout frequency in the range of 10 Hz-100 Hz
  • a high readout frequency in the range of 500 Hz-0 7 Hz several times per second in predetermined or known Way is changed.
  • FIGS. 1 and 3-5 the incident laser radiation 101, the diffraction radiation 102 produced by a diffraction grating G, and the radiation 103 focused on a detector D by the imaging optical system O are shown as arrows with solid lines, while the signal or data flow from the detector D to the readout unit A, from there to the evaluation unit B and from there to the
  • Display unit C in is shown as arrows with dashed lines.
  • Pulse lasers used in the military sector are sufficient
  • the read-out frequency of a detector D and thus the image refresh rate must be correspondingly high. This is preferably between 1,000 and more than 10 million images per second.
  • two detectors are operated according to the invention with a very different readout frequency.
  • the read frequency of a detector is changed several times per second between a low and a high read-out frequency.
  • the shorter exposure time at the high readout frequency reduces the brightness of the background image and can even make the image completely dark.
  • the brightness of incident pulsed laser radiation is not reduced, since the pulse duration of the laser radiation is usually much shorter than the exposure time.
  • image data or images with different exposure time and refresh rate are generated.
  • 2 shows a schematic representation for further explanation. Shown are the image times of individual successive images plotted over the time axis t. It can be seen from the representation that the images 1, 2 and 12 were obtained with a lower refresh rate and therefore with a low readout frequency than the images 3 -11.
  • the image duration readable from FIG. 2 is the reciprocal of the image repetition rate and is the sum of the exposure duration and the dead time for reading the image information (for discharging the detector).
  • Image data set at the high readout frequency before their analysis reduced It should be mentioned here that the above-mentioned image data result from the read-out detector signals after corresponding A / D conversion.
  • binning the resolution of the detector D at high readout frequencies / refresh rates is reduced by combining detector signals of horizontally and vertically adjacent detector elements (pixels, pixels) in hardware or software .
  • Typical binning patterns are z. B. 2 x 2 or 4 x 4, but also the combination of whole image lines or image columns to a Pixel is possible.
  • this reduces the amount of image data to be taken into account during the analysis, but on the other hand, of course, this is at the expense of the spatial resolution of the resulting reduced image data. It applies here for the present
  • Pixel brightness of the laser radiation 101 or of the diffraction radiation 103 finally detected by the detector D is retained by binning.
  • the addition of the image brightnesses in digits (0 to 4096 at 12 bits) of individual components from 4 adjacent pixels (pixels 1-4) is as follows:
  • Pixel 1 background brightness: 0, noise: 1, laser radiation: 0
  • Pixel 2 background brightness: 0, noise: 2, laser radiation: 0
  • Pixel 3 Background Brightness: 0, Noise: 2, Laser Radiation: 25
  • Pixel 4 Background Brightness: 0, Noise: 1, Laser Radiation: 0
  • Detector area (image area) are locally concentrated and reduced to this radiation source. This so-called region-of-interest (ROI) function will make this one
  • Refresh rate (high readout frequency) considered.
  • ROI small area
  • Reading frequency are set very high (for example, to 10,000 -10 million Images / s) so that the time characteristics such as pulse duration and pulse repetition rate can be determined.
  • the determination of the direction of incidence of the incident laser radiation 101 is based on the following relationship.
  • the incident laser radiation 101 is through the
  • Diffraction grating G divided into a plurality of partial beams (diffraction radiation 102) whose deflection angle is determined by the lattice constant of the diffraction grating G used and the diffraction order N. Since the position of the center of the resulting diffraction pattern (in the case of monochromatic radiation is a dot pattern) on the detector D is an optical image of the diffraction grating G, the position of the center of the dot pattern on the two-dimensional detector D can be
  • Incidence direction can be determined in two dimensions.
  • Pixels through the diffraction grating behaves to
  • Point distances of the dot pattern arising on the detector D, in addition to the wavelength on the area detector D according to:
  • the dots are 532 pixels apart, and the wavelength A of the incoming laser radiation is 1064 nm, then one pixel of the detector D equals two nanometers, ie, the laser emission bandwidth can be accurate to two nanometers be measured.
  • a diffraction grating G which generates a plurality of diffraction beams and thus several image points on the detector D (eg nine in a 3 ⁇ 3 diffraction grating)
  • the point distances of all pixels can be measured and the result averaged so that the wavelength resolution is still can be many times higher.
  • broadband light sources can be detected and distinguished in particular from narrow-band laser radiation sources.
  • detectors D for detecting weak laser sources is the multitude of incoherent point sources in the open air (such as street lamps, solar and lunar reflections) during the day and at night, which are unaware of a possible threat of laser target acquisition without additional Measures are distinguishable.
  • a laser radiation source has a high temporal coherence in addition to the high spatial coherence, i. a narrow bandwidth. For natural and gas lasers, this bandwidth is usually well below 1 nm, for multimode laser diodes about 3 nm. All natural beam sources are broadband with a bandwidth rarely below 100 nm. Narrow band technical light sources are spectral lamps, high pressure lamps, fluorescent tubes and light emitting diodes with a bandwidth of individual Colors of 20-40 nm. The bandwidth of the laser is thus at least a factor of 10 below the range of all natural and technical sources.
  • interferometers or diffraction gratings come into question here.
  • the use of interferometers for coherence discrimination has the disadvantages of their high sensitivity to vibration and temperature, their low angular acceptance and cumbersome interpretation of interferograms.
  • high-resolution diffraction gratings are very suitable in combination with modern detectors.
  • cross gratings which generate two-dimensional point grating spectra from the light of narrowband point sources instead of the known line spectra, are preferable to the grating gratings.
  • N ⁇ / d sin ⁇ - sin a 0 , where ⁇ denotes the wavelength of the laser radiation, d the lattice constant, a 0 the angle of incidence and ⁇ the diffraction angle.
  • ⁇ denotes the wavelength of the laser radiation
  • d lattice constant
  • a 0 the angle of incidence
  • ⁇ the diffraction angle.
  • the position of the Büdic the orders N are thus intersections of two Hyberbelscharen.
  • the 0th order of the diffraction pattern lies on the main beam, so this goes without diffraction through the diffraction grating.
  • the skin ray axis is also the symmetry axis of the diffraction pattern higher
  • the incident direction of the incident laser radiation can, as explained above, be determined unambiguously from the diffraction pattern.
  • the diffraction angle shifts with the wavelength change of ⁇ according to the formula (2): ⁇ aresin (N ⁇ / d), i. the wavelength of the incident radiation can be determined from the angular position of the diffraction maximum.
  • Lattice constant d 10 pm
  • a 2 5.4 °.
  • the wavelength resolution increases.
  • the angular resolution of a pixel is 0.15 °.
  • the spectral resolution of a pixel in the first diffraction order is about 5 nm.
  • the spectral bandwidth of a laser diode is about 3 nm, i. the radiation of the laser diode would be imaged within a pixel.
  • a light emitting diode would extend over a line of 6 pixels and a 100 nm source over 20 pixels.
  • an incoherent light source such as a sun reflex with a bandwidth of 300 nm, after its passage through the diffraction grating G in its intensity by a factor of 1 / 300 are weakened.
  • FIG. 6 shows an example of a diffraction pattern (distribution of radiation intensity) of 0th and 1st order arising on the detector D when radiation passes through a cross diffraction grating G, whose angular separation through the Grid constant is set.
  • the illustrated diffraction pattern arises in the present case by incident incoherent and coherent radiation of different
  • Radiation sources each incident with the same direction of incidence.
  • Laser radiation also incident respectively background radiation impinges and passes into the device and is imaged on the / the detectors.
  • Reference numeral 606 denotes the imaging area of the imaging optical system O on the detector surface.
  • the intersection of the centers 602 and 603 of the imaging optical system O indicates the intersection of the main beam axis with the detector surface.
  • the main beam axis is defined by the 0 th order diffraction beam for a radiation incident perpendicular to the diffraction grating, which would be imaged here on the intersection of the center axes 602 and 603, since the main beam does not undergo deflection by the diffraction grating. If the incident radiation does not strike the diffraction grating G perpendicularly, the center of the diffraction pattern is displaced.
  • the 0th order of the incident coherent radiation is mapped onto the point 601, and the 0th order of the incident incoherent radiation is imaged onto the circular area 607.
  • the 1 st order of the incident coherent radiation is mapped to the four points 604.
  • the 1 st order of the incident incoherent radiation is mapped to the gray shaded areas 605.
  • FIG. 6 shows a section line S-S 'through the detector.
  • FIG. 7 shows the intensity distribution of the diffraction pattern of FIG. 6 on the detector D along the section line S-S '.
  • the x-axis 701 corresponds to the
  • Diffraction radiation of coherent radiation which is represented in the form of intensity peaks 704, 705a and 705b, of the incoherent radiation, which one over the
  • Section line SS 'blurred intensity curve 703 represents.
  • the points 601 and 604 on the section axis correspond to the intensity peaks 704 and 705a or 705b in FIG. 7.
  • a threshold value 706 By specifying a corresponding threshold value 706, the influence of the incoherent radiation during the evaluation can be suppressed. Assuming that the incident laser radiation, which is the present
  • the pulse duration and pulse rate are determined as follows. If the pulse duration of the laser radiation is longer than the exposure time for a single image, the PuEsdauer can be roughly determined by counting the number of exposed images multiplied by the image duration, the accuracy of the measurement is equal to the image duration.
  • a pixel for example 601 or 604 is considered, at which the laser has illuminated, and then it is measured in which time frame the pixel appears again in a subsequent image. This regular lighting reveals the for each pulse laser
  • the length of the illumination indicates the laser's pulse duration, if it is not shorter than the image acquisition time. Therefore, must to
  • Determining the pulse duration only the number of successive images are determined in which the pixel of the laser radiation is present. This number must then be multiplied by the constant exposure time for these images.
  • two or more detectors can also be used
  • Image information is lost when a weak short laser radiation pulse strikes a detector with a long exposure time and therefore would become vanishingly small due to the long integration time. Since lasers with the emission of several pulse trains are usually used in practice, a device with only one detector (image sensor) and switchable readout frequency is preferably sufficient for the measurement. As a result, the manufacturing, operating and maintenance costs are significantly reduced.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a device according to the invention in accordance with a second embodiment.
  • the incident laser radiation 101 is fed by means of a beam splitter S two diffraction gratings G1 and G2.
  • the diffraction gratings G1 and G2 transfer the laser radiation 101 respectively into diffraction radiation 102, which is imaged by means of the imaging optics 01 and 02 as focused diffraction radiation 103 onto the detectors D1 and D2.
  • the diffraction gratings G1 and G2 can be designed differently, so that the diffraction radiation 102 produced by the diffraction gratings G1 and G2 is different.
  • the flat detectors D1 and D2 are designed such that they have a different
  • the detectors D1 and D2 transmit the read by a readout unit A detector signals to the readout unit A.
  • one of the detectors D1, D2, preferably the one with the lower detector element density read continuously with a high read-out frequency in the range of 500 Hz - 10 7 Hz.
  • the other one of the detectors is continuously read out with a low readout frequency in the range of 10 Hz - 100 Hz.
  • the analog detector signals are also digitized in the readout unit by means of one or more A / D converters and thus converted into digital image data.
  • the image data are transmitted to the evaluation unit B, which is designed and set up to determine one, several or all of the following variables on the basis of the image data obtained as described above: direction of incidence of
  • Laser radiation wavelength of laser radiation, frequency bandwidth of
  • the device can be connected in series in this way
  • Diffraction grating G, optics O and detectors D include. This is through the
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a device according to the invention according to a third embodiment.
  • the third embodiment differs from the embodiment shown in Fig. 3 by the use of only one diffraction grating G and the arrangement of the beam splitter S in the radiation path.
  • Laser radiation 101 is first directed in this embodiment to the diffraction grating G and converted by this into diffraction radiation 102.
  • the diffraction radiation 102 is then distributed by means of a beam splitter S to the imaging optics Ol and 02. All other elements are identical to FIG. 3, to the description of which referenced wi d.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a device according to the invention according to a fourth embodiment.
  • the incident laser radiation 101 is converted by a diffraction grating G into diffraction radiation 102, and by means of an imaging optical system O into focused diffraction radiation 103.
  • the focused diffraction radiation 103 is now divided by means of a beam splitter S in the present case to three or more (indicated by the vertical baring) detectors D1, D2, D3.
  • the detectors D2 and D3 in the present case correspond to those of FIG. 3.
  • the detector D1 is read out by the readout unit A with alternating between a low and a high readout frequency. It thus corresponds to the detector from FIG. 1. Reference is made to the respective points of description.
  • the device thus enables the time-parallel detection, differentiation and analysis of pulsed and continuous wave laser radiation, even multiple laser sources.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung. Gemäß einer ersten Alternative umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung, ein Beugungsgitter, zumindest eine abbildende Optik, und zumindest einen Detektor, der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, wobei die auftreffende Laserstrahlung durch das Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik auf den Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Die Vorrichtung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine Ausleseeinheit vorhanden ist, die zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz mehrfach pro Sekunde wechselt, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung. Die Vorrichtung ermöglicht mithin die zeitlich parallele Erfassung, Unterscheidung und Analyse von gepulster und Dauerstrich-Laserstrahlung auch mehrerer Laserquellen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung. Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind insbesondere in der optischen Messtechnik und Analytik mit Laser im Freistrahl von Bedeutung.
Gattungsgemäße Vorrichtungen ermöglichen es beispielsweise einen freistrahlenden, nicht-fasergekoppelten Laser zu erkennen und zudem die Richtung des einfallenden Laserstrahls zu ermitteln. Die Verwendungsmöglichkeiten derartiger Vorrichtungen liegen sowohl auf zivilem als auch auf sicherheitstechnischem/militärischem Gebiet, bspw. im Bereich der Informationsübertragung oder der Messtechnik. Im militärischen Bereich können sie auch dazu dienen, Bedrohungssituationen zu erkennen und ggf. zu bewerten.
So beschreibt die Druckschrift US 6,1 18,119 eine gattungsgemäße Vorrichtung, mit der die Wellenlänge und die Einfallsrichtung eines auftreffenden monochromatischen
Laserstrahls eines Dauerstrichlasers ermittelt werden kann. Die beschriebene
Vorrichtung umfasst ein Beugungsgitter, das den einfallenden Laserstrahl in eine
Vielzahl ein Beugungsstrahlen aufteilt, ein dem Beugungsgitter nachgeschaltetes flächiges Detektorarray, das entsprechend der dort auftreffenden Beugungsstrahlen lokal aufgelöste Detektorsignale liefert, und eine Prozessoreinheit, welche die erfassten Detektorsignale auswertet und daraus den Einfallswinkel des einfallenden Laserstrahls sowie seine Lichtwelienlänge zu ermittelt. Die ermittelte Einfallsrichtung gibt Aufschluss über den Ort der Laserquelle. Die ermittelte Wellenlänge des Laserlichts ermöglicht eine Einordnung der Laserquelle in die verwendete Technologie (Diodenlaser, Festkörper- und Faserlaser, Gaslaser, Raman, OPO), da die für gewisse Anwendungen
verwendeten Laserwellenlängen im zivilen und militärischen Bereich weitestgehend bekannt sind.
Bisher sind jedoch nur gattungsgemäße Einrichtungen und Verfahren bekannt, die entweder für die Erfassung und Analyse von Laserstrahlung aus Dauerstrichlasern oder aus Pulslasern nutzbar sind.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, mit dem Laserstrahlung sowohl von
Dauerstrichlasern als auch von Pulslasern erkannt und analysiert werden kann.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Alternative durch eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung, mit zumindest einem Beugungsgitter, zumindest einer abbildenden Optik, und zumindest einem Detektor, der eine Vielzahl von
Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, gelöst, bei der die auftreffende Laserstrahlung durch das Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt, und anschließend mittels der abbildenden Optik auf den Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei eine Ausleseeinheit vorhanden ist, die zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz mehrfach pro Sekunde wechselt, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der
Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der
Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung.
Die Aufgabe wird gemäß einer zweiten Alternative durch eine Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung, mit zumindest einem Beugungsgitter, zumindest einer abbildenden Optik, und zwei oder mehr Detektoren, die jeweils eine Vielzahl von
Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, gelöst, bei der die auftreffende Laserstrahlung durch das zumindest eine Beugungsgitter in
Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik auf die Detektoren gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei eine Ausleseeinheit vorhanden ist, die die Detektorsignale zumindest eines der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz, und die Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz ausliest, und eine Auswerteeinheit vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung, Pulslänge der Laserstrahlung.
Die Erfindung basiert mithin auf der Idee, die Detektorsignale eines Detektors zwischen einer niedrigen und einer hohen Auslesefrequenz wechselnd auszulesen, oder einen ersten Detektor fortlaufend mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz und einen zweiten Detektor fortlaufend mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz auszulesen. Natürlich sind bei drei oder mehr Detektoren auch entsprechende
Mischformen möglich.
Durch die mit unterschiedlichen Auslesefrequenzen ausgelesenen Detektorsignale werden in beiden angegebenen Alternativen durch entsprechende Bearbeitung Bilddaten erzeugt, die unterschiedliche Belichtungszeiten und Bildfolgefrequenzen aufweisen, wobei unter einem Bild vorliegend die Gesamtheit der zu einer Zeit von einem Detektor ausgelesenen Detektorsignale bzw. die daraus erzeugten Bilddaten verstanden wird. Die derart gewonnen Bilddaten ermöglichen eine zuverlässige Unterscheidung dahingehend, ob die auftreffende Laserstrahlung von einem Dauerstrichlaser oder einem gepulsten Laser stammt, wobei die Pulsdauer vorwiegend typischerweise im Bereich von 1 - 200 ns, 1 - 100 ns, 1 - 75 ns, 1- 25 ns, insbesondere 5-50 Nanosekunden (ns) liegt. Auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale ist weiterhin eine Bestimmung der Einfallsrichtung der Laserstrahlung, der Lichtwellenlänge der Laserstrahlung, der Laserbandbreite aller Laserarten, sowie der Pulswiederholrate und der Pulsdauer im Fall von gepulster Laserstrahlung auch bei sehr geringer Pulsspitzenleistung möglich.
Es lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in kompakter Bauweise und geringem Gewicht realisieren, so dass deren Verwendung in einem bereiten Einsatzspektrum möglich ist. Somit ist denkbar, ein Analysesystem zu schaffen, dass sowohl in Laboren als auch mobil im Außenbereich ziviler und sicherheitstechnischer Art Verwendung findet. Auch eine Integration in fliegende bemannte und unbemannte Plattformen, sowie Weltraumanwendungen auf Satelliten kann durch die kompakte Bauform realisiert werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Alternative zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausleseeinheit derart ausgelegt und eingerichtet ist, dass der Wechsel zwischen der niedrigen Auslesefrequenz fn und der hohen Auslesefrequenz fh nicht in der Form einer Umschaltung zwischen den
Auslesefrequenzen, d.h. der Abfolge: fn, fh, fn, f , fn ■· erfolgt, sondern, dass
zwischengeschaltete vorgegebene Au slesefreq Uenzen eingefügt sind, d.h. gemäß der Abfolge: fn, f,, f2, ...fj, fh, fh ...f2, f^ fn, i f2, ...erfolgt, wobei < h <■■■ < fi ist. Dies ermöglicht eine noch genauere Bestimmung der Pulswiederholrate bzw. der Pulsdauer bei auftreffender gepulster Laserstrahlung.
Die Ausleseeinheit ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Alternative bevorzugt derart ausgelegt und eingerichtet, dass der Wechsel zwischen der niedrigen und der hohen Auslesefrequenz innerhalb einer Sekunde zwischen 2 - 100 mal, 2 - 50 mal, 2 - 25 mal, insbesondere 10 mal erfolgt.
Sind mehrere Detektoren bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhanden, so umfasst die Vorrichtung bevorzugt zumindest einen Strahlteiler im Strahlengang zwischen auftreffender Laserstrahlung und den/dem Detektor/en. Dieser Strahlteiler kann je nach Aufbau der Vorrichtung im Strahlengang vor zwei oder mehr Beugungsgittern angeordnet sein, um die auftreffende Laserstrahlung auf die Beugungsgitter zu lenken bzw. zu verteilen. Der Strahlteiler kann einem Beugungsgitter direkt nachgeschaltet sein, um die durch das Beugungsgitter entstehende Beugungsstrahlung auf mehrere, dem Strahlteiler nachgeschaltete abbildende Optiken zu lenken bzw. zu verteilen. Der Strahlteiler kann schließlich einer abbildenden Optik direkt nachgeschaltet sein, um die Beugungsstrahlung auf mehrere Detektoren zu lenken bzw. zu verteilen.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen sind bevorzugt zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1.600 nm ausgelegt und eingerichtet, da in dem vorstehend angegebenen Wellenlängenbereich die meisten der heute bekannten Laserquellen arbeiten. Diese Auslegung betrifft sowohl die Auswahl der entsprechenden Beugungsgitter, der abbildenden Optiken, der Detektoren und ggf. des/der Strahlteiler/s, wie auch die entsprechende Anpassung der Auswertealgorithmen in der Auswerteeinheit. Dem Fachmann sind diese Zusammenhänge bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine tiefergehende Erläuterung verzichtet wird. Natürlich kann die Vorrichtung für spezielle Aufgabenstellungen auch auf einen größeren, einen kleineren und/oder einen entsprechend verschobenen Wellenlängenbereich abgestimmt werden. Auch dies sind fachbekannte Maßnahmen, die hier keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
Bevorzugt werden für eine erfindungsgemäße Vorrichtung CMOS- oder CCD-Detektoren verwendet. Die Detektorelemente können dabei flächig oder linear angeordnet sein, d.h. beispielsweise als Detektorelement-Array oder als in einer Reihe angeordnete
Detektoreiemente. Weiterhin können zwei oder mehr Detektoren unterschiedlicher Bauart oder aus unterschiedlichem Material bestehen, und daher unterschiedliche Eigenschaften wie bspw. Empfindlichkeiten, Ansprechzeiten, Totzeiten etc. aufweisen. Besonders bevorzugt weisen zumindest zwei der Detektoren unterschiedliche
Ortsauflösungen (d.h. eine unterschiedliche Detektorelementdichte) auf, wobei aus Gründen einer ggf. erforderlichen Datenreduktion der Detektor, dessen Detektorsignale mit einer hohen Auslesefrequenz ausgelesen werden, bevorzugt die geringere
Ortsauflösung aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet sein, dass bei den mit der hohen Auslesefrequenz ausgelesenen Detektorsignalen vor deren Analyse eine Datenreduktion erfolgt. Diese Datenreduktion kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Detektorsignale einer vorgegebenen Anzahl benachbarter Detektorelemente summiert oder gemittelt oder allgemein miteinander verrechnet werden. Dabei werden also mehrere Detektorsignale zu einem Signal zusammengefasst. Natürlich sind alle dem Fachmann bekannten Verfahren zur Datenreduktion je nach vorliegender konkreter Aufgabenstellung zusätzlich oder alternativ anwendbar.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gemäß einer ersten Alternative von einem Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung mit einer Vorrichtung gelöst, die zumindest ein Beugungsgitter, zumindest eine abbildende Optik, und zumindest einen Detektor, der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von
Detektorsignalen aufweist, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung durch das Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik auf den Detektor gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte: Auslesen der vom Detektor erfassten Detektorsignale, wobei die Auslesefrequenz mehrfach pro Sekunde zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz wechselt, und auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung,
Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung,
Pulslänge der Laserstrahlung.
Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gemäß einer zweiten Alternative von einem Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung mit einer Vorrichtung gelöst, die zumindest ein Beugungsgitter, zumindest eine abbildende Optik, und zwei oder mehr Detektoren, die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von
Detektorsignalen aufweisen, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung durch das zumindest eine Beugungsgitter in Beugungsstrahlung überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik auf die Detektoren gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt. Das Verfahren umfasst erfindungsgemäß folgende Schritte: Auslesen der von einem der Detektoren erfassten Detektorsignale mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz, und der
Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz, und auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen: Einfallsrichtung der Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung,
Frequenzbandbreite der Laserstrahlung, Pulswiederholrate der Laserstrahlung,
Pulslänge der Laserstrahlung.
Zur Erläuterung der vorstehend beschrieben Verfahrens wird auf die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorstehend gemachten Ausführungen verwiesen. Insbesondere ergeben sich durch analoge Übertragung der
vorrichtungsgemäßen Merkmale auf die erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafte verfahrensgemäße Weiterbildungen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Figuren mehrere Ausführungsbeispiele beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung,
gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der erfindungsgemäßen
Auslesefrequenzen und der dabei entstehenden Bilddaten bzw. Bilder, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer dritten Ausführungsform,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß einer vierten Ausführungsform,
Fig. 6 ein schematisiertes Beugungsmuster auf dem Detektor D, und
Fig. 7 die Intensitätsverteilung des Beugungsmusters von Fig. 6 auf dem
Detektor entlang der Schnittlinie S-S'.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung besteht aus einem diffraktiven Gitter G, einer abbildenden Optik O, einem zweidimensionalen bildgebenden
Flächensensor/Detektor D, einer Ausleseeinheit A, einer Auswerteeinheit B sowie einer optischen Anzeigeeinheit C, welche die Auswerteergebnisse der Auswerteeinheit B und/oder sich daraus ergebende Vorschläge über Handlungsalternativen einem Nutzer anzeigt.
Die auftreffende Laserstrahlung 101 (natürlich neben anderer Hintergrundstrahlung) wird nach Durchgang durch das Beugungsgitter G in Beugungsstrahlung 102 überführt. Dabei teilt das Beugungsgitter G die auftreffende Laserstrahlung 101 in mehrere Ordnungen auf, wobei das Beugungsgitter G eindimensional oder mehrdimensional ausgelegt sein kann. Im eindimensionalen Fall wird die Laserstrahlung 101 in mehrere
Beugungsstrahlen in einer Ebene aufgeteilt. Bei einem mehrdimensionalen
Beugungsgitter G sind mehrere Gitter hintereinander und zueinander verdreht angeordnet. Vorzugsweise verwendet man bei einem mehrdimensionalen Beugungsgitter G ein Kreuzgitter, bei dem ein Gitter zum zweiten um 90 Grad gedreht angeordnet ist. Die Optik O hat die Aufgabe, die Beugungsstrahlen (Beugungsstrahlung) 102 durch eine Objektivblende auf einen bestimmten Durchmesser zu begrenzen und durch ein entsprechend angepasstes Linsensystem hochauflösend und effizient auf den Detektor D zu fokussieren, beziehungsweise abzubilden.
Die Ausleseeinheit A ist derart ausgeführt und eingerichtet, dass zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors D zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 07 Hz mehrfach pro Sekunde in vorgegebener bzw. bekannter Weise wechselt wird. Damit können sowohl schwache Dauerstrichlaser als auch schwache gepulste Impulslaser sicher gegenüber einem Signalhintergrund einer durch Sonnenlicht und/oder Kunstlicht beleuchteten Szene erfasst und analysiert werden. Weiterhin wird neben der
Einfallsrichtung und der Wellenlänge der auftreffenden Laserstrahlung, die
Laseremissionsbandbreite sowie zeitlich veränderliche Eigenschaften der
Laserstrahlung, wie die Pulswiederholrate und/oder die Pulsdauer ermittelt. Wie dies im Einzelnen erfolgt ist den nachfolgenden Erläuterungen zu entnehmen.
Anmerkung: In den Figuren 1 und 3 - 5 sind die auftreffende Laserstrahlung 101 , die durch ein Beugungsgitter G entstehende Beugungsstrahlung 102, sowie die durch die abbildende Optik O auf einen Detektor D fokussierte Strahlung 103 als Pfeile mit durchgezogene Linien dargestellt, während der Signal- bzw. Datenfluss vom Detektor D zur Ausleseeinheit A, von dort zur Auswerteeinheit B und von dort weiter zur
Anzeigeeinheit C in als Pfeile mit gestrichelten Linien dargestellt ist.
Zur Erfassung von Dauerstrichlasern bei Tageslicht mit CMOS-Detektoren sind
Aufnahme-/Belichtungszeiten von etwa einigen Millisekunden erforderlich. Bei
Verwendung von CCD-Detektoren sind die Aufnahme-/Belichtungszeiten aufgrund deren höherer Empfindlichkeit etwa um den Faktor 100 geringer. Zur Detektion von
Impulslasern, die im militärischen Bereich Verwendung finden, genügen
Aufnahme/Belichtungszeiten von ca. 10 ps bei CMOS-Detektoren und bei CCD- Detektoren sogar 1 ps und weniger. Damit ein Großteil der Laserimpulse erfasst wird, muss die Auslesefrequenz eines Detektors D und damit die Bildwiederholrate entsprechend hoch sein. Bevorzugt liegt diese bei 1.000 bis über 10 Million Bildern pro Sekunde. Um gleichzeitig Dauerstrichlaser und Impulslaser zu erfassen, werden erfindungsgemäß zwei Detektoren mit stark unterschiedlicher Auslesefrequenz betrieben. Um
Dauerstrichlaser und Impulslaser zumindest nahezu gleichzeitig zu erfassen, wird die Auslesefrequenz eines Detektors mehrmals pro Sekunde zwischen einer niedrigen und einer hohen Auslesefrequenz gewechselt. Durch die kürzere Belichtungsdauer bei der hohen Auslesefrequenz wird die Helligkeit des Bildhintergrundes reduziert, wobei das Bild sogar absolut dunkel werden kann. Dagegen wird die Helligkeit auftreffender Impulslaserstrahlung nicht reduziert, da die Pulsdauer der Laserstrahlung meist noch wesentlich kürzer ist, als die Belichtungsdauer.
Durch das Wechseln der Auslesefrequenz im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Bilddaten bzw. Bilder mit unterschiedlicher Belichtungszeit und Bildwiederholrate erzeugt. Die Fig. 2 zeigt hierzu eine schematische Darstellung zur weiteren Erläuterung. Dargestellt sind die über der Zeitachse t aufgetragenen Bildzeiten einzelner aufeinander folgender Bilder. Zu entnehmen ist der Darstellung, dass die Bilder 1 , 2 und 12 mit einer geringeren Bildwiederholrate und daher mit einer geringen Auslesefrequenz als die Bilder 3 -11 gewonnen wurden. Die aus Fig. 2 ablesbare Bilddauer ist der Kehrwert der Bildwiederholrate und ist die Summe aus der Belichtungsdauer und der Totzeit zum Auslesen der Bildinformation (zum Entladen des Detektors).
Durch das Wechseln auf die hohe Auslesefrequenz, kann die erzeugte bzw.
ausgelesene Detektorsignalmenge bzw. die sich daraus ergebende Bilddatenmenge sehr groß werden. Um dennoch eine schnelle und effektive Auswertung und Analyse der erfassten Bilddaten zu ermöglichen, wird die bei der Auswertung berücksichtigte
Bilddatenmenge bei der hohen Auslesefrequenz vor deren Analyse reduziert. Es sei hier erwähnt, dass sich die vorgenannten Bilddaten nach entsprechender A/D-Wandlung aus den ausgelesenen Detektorsignalen ergeben.
Bevorzugt werden die erfindungsgemäß gewonnen Bilddaten durch ein sogenanntes „Binning" reduziert. Beim„Binning" wird die Auflösung des Detektors D bei hohen Auslesefrequenzen/Bildwiederholraten dadurch reduziert, dass Detektorsignale horizontal und vertikal benachbarter Detektorelemente (Bildpunkte, Pixel) hardware- oder softwaremäßig zusammengefasst werden. Typische Binning-Muster sind z. B. 2 x 2 oder 4 x 4, aber auch das Zusammenfassen ganzer Bildzeilen oder Bildspalten zu einem Bildpunkt ist möglich. Dies reduziert einerseits die bei der Analyse zu berücksichtigende Bilddatenmenge, dies geht aber andererseits natürlich zu Lasten der Ortsauflösung der dann entstehenden reduzierten Bilddaten. Es gilt hier für die vorliegende
Aufgabenstellung den optimalen Kompromiss zu wählen.
Zur Verdeutlichung sei noch folgendes Beispiel aufgeführt. Da bei einem bevorzugten „Software-Binning" bspw. Bildpunkthelligkeiten addiert werden, geht keine
Bildinformation verloren, wenn der Bildhintergrund ohnehin dunkel ist. Die
Bildpunkthelligkeit der Laserstrahlung 101 bzw. der vom Detektor D letztlich erfassten Beugungsstrahiung 103 bleibt durch das Binning erhalten. Beispielsweise erfolgt die Addition der Bildhelligkeiten in Digits (0 bis 4096 bei 12 Bit) einzelner Anteile aus 4 benachbarten Bildpunkten (Pixel 1-4) ist wie folgt:
Pixel 1 : Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 1 , Laserstrahlung: 0
Pixel 2: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 2, Laserstrahlung: 0
Pixel 3: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 2, Laserstrahlung: 25
Pixel 4: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 1 , Laserstrahlung: 0
Das„Software-Binning" ergibt hierfür die Summe: Hintergrundhelligkeit: 0, Rauschen: 6, Laserstrahlung: 25. Somit wird bei dunklen Bildern nur das Rauschen (Ausleserauschen) gegenüber dem erfassten Lasersignal etwas stärker. Da das Rauschen bei modernen Detektoren (Bildsensoren) aber sehr gering ist, liefert dies nur einen untergeordneten Beitrag. Bei einem„Hardware-Binning" wird das Ausleserauschen ohnehin nicht wesentlich vergrößert. Wie erwähnt wird beim„Binning" durch das Zusammenfassen benachbarter Bildpunkte die örtliche Auflösung des Bildes reduziert.
Wird eine auftreffende Laserstrahlung durch ihr schmalbandiges Spektrum erkannt und die Wellenlänge und Einfallsrichtung bestimmt, kann anschließend der relevante
Detektorbereich (Bildbereich) lokal auf diese Strahlungsquelle eingeengt und verkleinert werden. Durch diese so genannte Region-of-Interest-Funktion (ROI) wird dieser
Detektorbereich (Bildbereich) dann in bester Ortsauflösung und der hohen
Bildwiederholrate (hohe Auslesefrequenz) betrachtet. Somit erhält man eine hohe Genauigkeit bei der Ermittlung der Einfallsrichtung und eine hohe zeitliche Auflösung. Durch das Auslesen ausschließlich dieses kleinen Bereichs (ROI) kann die
Auslesefrequenz sehr hoch gesetzt werden (beispielsweise auf 10.000 -10 Millionen Bilder/s), damit die zeitlichen Eigenschaften wie Pulsdauer und Pulswiederholrate ermittelt werden können.
Der Ermittlung der Einfallsrichtung der auftreffenden Laserstrahlung 101 liegt folgender Zusammenhang zugrunde. Die auftreffende Laserstrahlung 101 wird durch das
Beugungsgitter G in mehrere Teilstrahlen (Beugungsstrahlung 102) aufgeteilt, deren Ablenkwinkel durch die Gitterkonstante des verwendeten Beugungsgitters G und die Beugungsordnung N vorgegeben ist. Da die Lage des Zentrums des entstehenden Beugungsmusters (im falle monochromatischer Strahlung ist das ein Punktmuster) auf dem Detektor D eine optische Abbildung des Beugungsgitters G ist, kann aus der Lage des Zentrums des Punktmusters auf dem zweidimensionalen Detektor D die
Einfallsrichtung in zwei Dimensionen ermittelt werden. Der Ablenkwinkel α der
Bildpunkte durch das Beugungsgitter verhält sich zu
(1 ) α = aresin (N A /d) wobei N die Beugungsordnung eines jeweiligen abgebildeten des Punktes durch das Beugungsgitter G beschreibt mit N= 0, 1, 2, . , λ die Wellenlänge der einfallenden Laserstrahlung 101 und d die Gitterkonstante definiert. Da der Ablenkwinkel α sich proportional zur Wellenlänge λ der Laserstrahlung 101 verhält, kann durch die
Punktabstände des auf dem Detektor D entstehenden Punktmusters die zudem die Wellenlänge auf dem flächigen Detektor D gemäß:
(2) Δ α = aresin (N Δλ /d) ermittelt werden. Wird die Gitterkonstante d derart gewählt, dass die Punkte des Punktmusters mehrere hundert Pixel weit auseinander liegen, kann zusätzlich die Bandbreite der Laserquelle (Laserbandbreite oder Laseremissionsbandbreite) gemessen werden, da auch die Abstände der Bildpunkte proportional zur Wellenlänge λ sind:
(3) (Δ α =arcsin (Δλ /d))
Liegen beispielsweise die Punkte 532 Pixel auseinander, und die Wellenlänge A der ankommenden Laserstrahlung liegt bei 1064 nm, so entspricht 1 Pixel des Detektors D zwei Nanometer, d.h. die Laseremissionsbandbreite kann auf zwei Nanometer genau gemessen werden. Wählt man ein Beugungsgitter G, das mehrere Beugungsstrahlen und damit mehrere ßildpunkte auf dem Detektor D erzeugt (z. B. neun bei einem 3 x 3 Beugungsgitter), so können die Punktabstände aller Bildpunkte gemessen und das Ergebnis gemittelt werden, so dass die Wellenlängenauflösung noch ein Vielfaches höher sein kann. Somit können auch breitbandige Lichtquellen erkannt und insbesondere von schmalbandigen Laserstrahlungsquellen unterschieden werden.
Ein grundsätzliches Problem bei der Verwendung von Detektoren D zur Erfassung von schwachen Laserquellen sind die Vielzahl von inkohärenten Punktquellen am Tage und in der Nacht (wie Straßenlampen, Sonnen- und Mondspiegelungen) im Freien, die nicht von einer möglichen der Bedrohung durch eine Laserzielerfassung ohne zusätzliche Maßnahmen unterscheidbar sind.
Eine Laserstrahlungsquelle (Laser) hat außer der hohen räumlichen Kohärenz eine hohe zeitliche Kohärenz, d.h. eine schmale Bandbreite. Bei Festkörper- und Gaslasern beträgt diese Bandbreite üblicherweise weit unter 1 nm, bei mehrmodigen Laserdioden dagegen etwa 3 nm. Alle natürlichen Strahlquellen sind breitbandig mit einer Bandbreite selten unter 100 nm. Schmalbandige technische Lichtquellen sind Spektrallampen, Hochdrucklampen, Leuchtstoffröhren und Leuchtdioden mit einer Bandbreite einzelner Farben von 20-40 nm. Die Bandbreite der Laser liegt damit um mindestens einen Faktor 10 unter der Bandbreite aller natürlicher und technischer Quellen.
Dieses Kohärenzmerkmal wird benutzt, um Laserstrahlung von inkohärenter Strahlung aus anderen technischen Lichtquellen zu unterscheiden. Hier kommen grundsätzlich Interferometer oder Beugungsgitter in Frage. Die Verwendung von Interferometern zur Kohärenzunterscheidung hat die Nachteile ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Vibrationen und Temperatur, ihrer geringen Winkelakzeptanz und umständlicher Auswertung der Interferrogramme. Hochauflösende Beugungsgitter sind dagegen in Kombination mit modernen Detektoren sehr geeignet. Hier sind vor allem Kreuzgitter, die anstatt der bekannten Linienspektren zweidimensionale Punktgitterspektren aus dem Licht von schmalbandigen Punktquellen generieren, den Strichgittern vorzuziehen.
Die unterschiedlichen Ordnungen N der Gitterpunkte im Kreuzgitter gehorchen der Beziehung (hier nur in einer Raumrichtung aufgeführt): (4) N λ/d = sin α - sin a0 , wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlung, d die Gitterkonstante, a0 den Einfallswinkel und α den Beugungswinkel bezeichnet. Die Lage der Büdpunkte der Ordnungen N sind damit Schnittpunkte zweier Hyberbelscharen. Die 0-te Ordnung des Beugungsmusters liegt auf dem Hauptstrahl, dieser geht also ohne Beugung durch das Beugungsgitter. Die Hautstrahlachse ist auch die Symmetrieachse des Beugungsmusters höherer
Ordnungen. Die Einfallsrichtung der auftreffenden Laserstrahlung kann, wie vorstehend erläutert, eindeutig aus dem Beugungsmuster ermittelt werden. Der Beugungswinkel verschiebt sich mit der Wellenlängenänderung von Δλ nach der Formel (2): Δ α = aresin (N Δλ /d), d.h. die Wellenlänge der einfallenden Strahlung kann aus der Winkellage des Beugungsmaximums bestimmt werden.
Flächenhafte breitbandige Quellen erzeugen ein verschmiertes Mosaik über die ganze Detektorfläche, und breitbandige punktförmige Quellen werden als länglicher Farbsaum abgebildet. Bei einer angenommenen Wellenlänge von Ai = 1 ,064 pm (Nd:YAG-Laser), λ 2 = 0,904 pm (Ga .As-Laserdiode), einem Einfallswinkel von a0 = 0°, und einer
Gitterkonstante d = 10 pm, beträgt der Beugungswinkel im ersten Fall c_i = 6,1 ° und im zweiten Fall a2 = 5,4°.
Bei niedrigeren Ordnungen vergrößert sich die Wellenlängenauflösung. Mit etwa 600 x 600 Detektorelementen (Pixel) eines Detektorarrays und einem Öffnungswinkel der abbildenden Optik von 90° beträgt die Winkelauflösung eines Pixels 0,15°. Bei einer Gitterkonstante von 2 pm beträgt die spektrale Auflösung eines Pixels in der ersten Beugungsordnung etwa 5 nm. Zum Vergleich beträgt die spektrale Bandbreite einer Laserdiode etwa 3 nm, d.h. die Strahlung der Laserdiode würde innerhalb eines Pixels abgebildet werden. Eine Leuchtdiode würde über eine Zeile von 6 Pixel und eine 100 nm Quelle über 20 Pixel ausgedehnt sein. Wird das Gitter so ausgelegt, dass etwa 1 nm einem Pixel in der ersten Ordnung entspricht, wird eine inkohärente Lichtquelle, wie bspw. ein Sonnenreflex mit einer Bandbreite von 300 nm, nach dem Durchgang durch das Beugungsgitter G in seiner Intensität um einen Faktor 1/300 abgeschwächt werden.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel eines auf dem Detektor D entstehenden Beugungsmusters (Verteilung der Strahlungsintensität) 0-ter und 1 -ster Ordnung bei Durchgang von Strahlung durch ein Kreuz-Beugungsgitter G, dessen Winkelabstand durch die Gitterkonstante eingestellt wird. Das dargestellte Beugungsmuster entsteht vorliegend durch auftreffende inkohärente und kohärente Strahlung unterschiedlicher
Strahlungsquellen, die jeweils mit gleicher Einfallsrichtung auftreffen.
Anmerkung: Es wird vorliegend davon ausgegangen, dass neben auftreffender
Laserstrahlung natürlich auch jeweils vorhandene Hintergrundstrahlung auftrifft und entsprechend in die Vorrichtung gelangt und auf den/die Detektoren abgebildet wird.
Das Bezugszeichen 606 bezeichnet den Abbildungsbereich der abbildenden Optik O auf der Detektorfläche. Der Schnittpunkt der Mitte nachsen 602 und 603 der abbildenden Optik O gibt den Schnittpunkt der Hauptstrahlachse mit der Detektorfläche an. Die Hauptstrahlachse ist durch den Beugungsstrahl 0-ter Ordnung für einen senkrecht auf das Beugungsgitter einfallende Strahlung definiert, die vorliegend auf den Schnittpunkt der Mittenachsen 602 und 603 abgebildet würde, da der Hauptstrahl keine Ablenkung durch das Beugungsgitter erfährt. Trifft die einfallende Strahlung nicht senkrecht auf das Beugungsgitter G, so wird das Zentrum des Beugungsmusters verschoben. Vorliegend wird die 0-te Ordnung der einfallenden kohärenten Strahlung auf den Punkt 601 , und die 0-te Ordnung der einfallenden inkohärenten Strahlung auf die Kreisfläche 607 abgebildet. Die 1-ste Ordnung der der einfallenden kohärenten Strahlung wird auf die vier Punkte 604 abgebildet. Die 1-ste Ordnung der einfallenden inkohärenten Strahlung wird auf die grau schattierten Bereiche 605 abgebildet. Die Ablage des Zentrums des Beugungsmusters {entspricht vorliegend dem Punkt 601) vom Schnittpunkt der
Mittenachsen 602 und 603 ermöglicht die Ermittlung des Azimuts und der Elevation und damit der Einfallsrichtung der auftreffenden Strahlung. Weiterhin lässt sich der Fig. 6 eine Schnittlinie S-S' durch den Detektor entnehmen.
Die Fig. 7 zeigt die Intensitätsverteilung des Beugungsmusters von Fig. 6 auf dem Detektor D entlang der Schnittlinie S-S'. Dabei entspricht die x-Achse 701 der
Schnittachse S - S'. Darüber ist entlang der y-Achse 702 die Intensität der
Beugungsstrahlung 103 aufgetragen. Deutlich zu unterscheiden ist die
Beugungsstrahlung kohärenter Strahlung, welche sich in Form von Intensitätspeaks 704, 705a und 705b darstellt, von der inkohärenten Strahlung, welche eine über die
Schnittlinie S-S' verschmierte Intensitätskurve 703 darstellt. Dabei entsprechen die Punkte 601 und 604 auf der Schnittachse den Intensitätspeaks 704 und 705a bzw. 705b in Fig. 7. Durch Vorgabe eines entsprechenden Schwellwertes 706 kann der Einfluss der inkohärenten Strahlung bei der Auswertung unterdrückt werden. Wird unterstellt, dass die auftreffende Laserstrahlung, welche das vorliegende
Beugungsmuster der Fig. 7 erzeugt von einem Dauerstrichlaser stammt, so werden die als Beugungsmuster auf dem Detektor D entstehenden Bildpunkte 601, 604, bei gleich bleibender Einfallsrichtung in jedem nachfolgend aufgenommenen Bild an gleicher Stelle zu sehen sein.
Geht die auftreffende Laserstrahlung jedoch von einem gepulsten Laser aus, dann wird die Pulsdauer und Pulsfrequenz wie folgt ermittelt. Ist die Pulsdauer der Laserstrahlung länger als die Belichtungszeit für ein einzelnes Bild, kann die PuEsdauer durch ein Zählen der Anzahl der belichteten Bilder multipliziert mit der Bilddauer grob ermittelt werden, wobei die Genauigkeit der Messung gleich der Bilddauer ist.
Zur Messung der Pulswiederholrate (Pulsfrequenz) wird ein Bildpunkt (bspw. 601 oder 604) betrachtet, bei welchem der Laser aufgeleuchtet hat und anschließend wird ausgemessen, in welchem Zeitraster der Bildpunkt in einem nachfolgenden Bild wieder erscheint. Dieses regelmäßige Aufleuchten verrät die für jeden Pulslaser
charakteristische Pulsfrequenz. Die Länge des Aufleuchtens verrät die Pulsdauer des Lasers, falls diese nicht kürzer als die Bildaufnahmedauer ist. Mithin muss zur
Bestimmung der Pulsdauer lediglich die Anzahl aufeinander folgenden Bilder ermittelt werden, in denen der Bildpunkt der Laserstrahlung vorhanden ist. Diese Anzahl muss dann mit der für diese Bilder konstanten Belichtungszeit multipliziert werden.
Alternativ zum Wechseln der Auslesefrequenz von einer niedrigen Auslesefrequenz zu einer hohen Auslesefrequenz, können auch zwei oder mehr Detektoren mit
unterschiedlichen Auslesefrequenzen betrieben werden. Damit geht keine
Bildinformation verloren, wenn ein schwacher kurzer Laserstrahlungspuls auf einen Detektor mit langer Belichtungszeit trifft und daher durch die lange Integrationszeit verschwindend klein werden würde. Da in der Praxis meist Laser mit der Emission mehrerer Pulszüge verwendet werden, ist bevorzugt eine Vorrichtung mit nur einem Detektor (Bildsensor) und umschaltbarer Auslesefrequenz für die Messung ausreichend. Dadurch wird der Herstellungs-, Betriebs- und Wartungsaufwand wesentlich reduziert.
Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die auftreffende Laserstrahlung 101 wird mittels eines Strahlteilers S zwei Beugungsgittern G1 und G2 zugeführt. Die Beugungsgitter G1 und G2 überführen die Laserstrahlung 101 jeweils in Beugungsstrahlung 102, die mittels der abbildenden Optiken 01 und 02 als fokussierte Beugungsstrahlung 103 auf die Detektoren D1 und D2 abgebildet wird. Die Beugungsgitter G1 und G2 können unterschiedlich gestaltet sein, so dass die durch die Beugungsgitter G1 und G2 entstehende Beugungsstrahlung 102 unterschiedlich ist. Bevorzugt sind die flächigen Detektoren D1 und D2 derart ausgeführt, dass sie eine unterschiedliche
Detektorelementdichte und damit eine unterschiedliche Ortsauflösung aufweisen. Die Detektoren D1 und D2 übermitteln die von einer Ausleseeinheit A ausgelesenen Detektorsignale an die Ausleseeinheit A. Dabei wird einer der Detektoren D1 , D2, bevorzugt derjenige mit der geringeren Detektorelementdichte, kontinuierlich mit einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz ausgelesen. Der andere der Detektoren wird hingegen kontinuierlich mit einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz ausgelesen. Die analogen Detektorsignale werden zudem in der Ausleseeinheit mittels eines oder mehrerer A/D-Wandler digitalisiert und damit in digitale Bilddaten umgewandelt.
Die Bilddaten werden der Auswerteeinheit B übermittelt, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der, wie vorstehend beschrieben, gewonnenen Bilddaten eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln: Einfallsrichtung der
Laserstrahlung, Wellenlänge der Laserstrahlung, Frequenzbandbreite der
Laserstrahlung, Pulswied erhol rate der Laserstrahlung, und Pulslänge der
Laserstrahlung. Die Ergebnisse der Auswertung bzw. die ermittelten Größen sowie sich ggf. daraus ergebende Handlungsvorschläge und/oder Handlungsalternativen werden auf einer Anzeigeeinheit C, bspw. einem Monitor, dargestellt.
Natürlich kann die Vorrichtung weitere in dieser Art hintereinander geschaltete
Beugungsgitter G, Optiken O und Detektoren D umfassen. Dies ist durch die
entsprechenden vertikalen Strichlierungen verdeutlicht.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform durch die Verwendung nur eines Beugungsgitters G und der Anordnung des Strahlteilers S im Strahiengang. Die auftreffende
Laserstrahlung 101 wird in dieser Ausführungsform zunächst auf das Beugungsgitter G gelenkt und von diesem in Beugungsstrahlung 102 überführt. Die Beugungsstrahlung 102 wird anschließend mittels eines Strahlteilers S auf die abbildenden Optiken Ol und 02 verteilt. Alle weiteren Elemente sind identisch mit Fig. 3, auf deren Beschreibung hierzu verwiesen wi d.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform wird die auftreffende Laserstrahlung 101 von einem Beugungsgitter G in Beugungsstrahlung 102, und mittels einer abbildenden Optik O in fokussierte Beugungsstrahlung 103 überführt. Die fokussierte Beugungsstrahlung 103 wird nun mittels eines Strahlteilers S vorliegend auf drei oder mehr (angedeutet durch die vertikale Strichlierung) Detektoren D1 , D2, D3 aufgeteilt. Die Detektoren D2 und D3 entsprechen vorliegend denen der Fig. 3. Der Detektor D1 wird von der Ausleseeinheit A mit abwechselnd zwischen einer niedrigen und einer hohen Auslesefrequenz ausgelesen. Er entspricht somit dem Detektor aus Fig. 1. Auf die jeweiligen Beschreibungsstellen wird hierzu verwiesen.
Die Vorrichtung ermöglicht mithin die zeitlich parallele Erfassung, Unterscheidung und Analyse von gepulster und Dauerstrich-Laserstrahlung auch mehrerer Laserquellen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101 ), mit zumindest einem Beugungsgitter (G, G1 , G2), zumindest einer abbildenden Optik (0,01, 02), und zumindest einem Detektor (D, D1 , D2, D3), der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, bei der die auftreffende Laserstrahlung (101 ) durch das Beugungsgitter (G, G1 , G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik (O, Ol , 02) auf den Detektor (D, D1 , D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei
eine Ausleseeinheit (A) vorhanden ist, die zum Auslesen der Detektorsignale des Detektors (D, D1 , D2, D3) zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz mehrfach pro Sekunde wechselt, und
eine Auswerteeinheit (B) vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln:
o Einfallsrichtung der Laserstrahlung,
o Wellenlänge der Laserstrahlung,
o Frequenzbandbreite der Laserstrahlung,
o Pulswiederholrate der Laserstrahlung,
o Pulslänge der Laserstrahlung.
2. Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101 ), mit zumindest einem Beugungsgitter (G, G1 , G2), zumindest einer abbildenden Optik (O, 01 , 02), und zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3), die jeweils eine Vielzahl von
Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, bei der die auftreffende Laserstrahlung (101 ) durch das zumindest eine Beugungsgitter (G, G1 , G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik (O, Ol, 02) auf die Detektoren (D, D1, D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, wobei
eine Ausleseeinheit (A) vorhanden ist, die die Detektorsignale zumindest eines der zwei oder mehr Detektoren (D, D1 , D2, D3) mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz, und die Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3) mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz ausliest, und
eine Auswerteeinheit (B) vorhanden ist, die dazu ausgelegt und eingerichtet ist, auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale eine, mehrere oder alle der folgenden Größen zu ermitteln:
o Einfallsrichtung der Laserstrahlung,
o Wellenlänge der Laserstrahlung,
o Frequenzbandbreite der Laserstrahlung,
o Pulswiederholrate der Laserstrahlung,
o Pulslänge der Laserstrahlung.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinheit (A) derart ausgelegt und eingerichtet ist, dass der Wechsel zwischen der niedrigen und der hohen
Auslesefrequenz in mehreren Schritten erfolgt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Ausleseeinheit (A) derart ausgelegt und eingerichtet ist, dass der Wechsel zwischen der niedrigen und der hohen
Auslesefrequenz innerhalb einer Sekunde zwischen 2-100 mal, 2- 50 mal, 2 - 25 mal, insbesondere 10 mal erfolgt.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Strahlteiler (S) im
Strahlengang zwischen auftreffender Laserstrahlung (101) und den Detektoren (D, D1, D2, D3) vorhanden ist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1.600 nm ausgelegt und eingerichtet ist.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der/die Detektoren (D, D1 , D2, D3) CMOS- oder CCD-Detektoren sind.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente des/der Detektor/s/en (D, D1, D2, D3) flächig oder linear angeordnet sind.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Detektoren (D, D1 , D2, D3) eine unterschiedliche Ortsauflösung aufweisen.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (A) derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass bei den mit der hohen Auslesefrequenz ausgelesenen
Detektorsignalen vor deren Analyse eine Datenreduktion erfolgt.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Daten red uktion die Detektorsignale einer vorgegebenen Anzahl benachbarter Detektorelement summiert oder gemittelt werden.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr der Detektoren (D, D1 , D2, D3) aus jeweils unterschiedlichen Detektormaterialien bestehen.
13. Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101) mit einer Vorrichtung, die zumindest ein Beugungsgitter (G, G1, G2), zumindest eine abbildende Optik (O, 01 , 02), und zumindest einen Detektor (D, D1 , D2, D3), der eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweist, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung (101) durch das Beugungsgitter (G. G1. G2) in
Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der abbildenden Optik (O, 01, 02) auf den Detektor (D, D1, D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, mit folgenden Schritten:
Auslesen der vom Detektor (D, D1 , D2, D3) erfassten Detektorsignale, wobei die Auslesefrequenz mehrfach pro Sekunde zwischen einer niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz und einer hohen Auslesefrequenz im Bereich von
500 Hz - 107 Hz wechselt, und
auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen:
o Einfallsrichtung der Laserstrahlung,
o Wellenlänge der Laserstrahlung,
o Frequenzbandbreite der Laserstrahlung,
o Pulswiederholrate der Laserstrahlung,
o Pulslänge der Laserstrahlung.
14. Verfahren zur Erfassung und Analyse von Laserstrahlung (101 ) mit einer
Vorrichtung, die zumindest ein Beugungsgitter (G, G1 , G2), zumindest eine abbildende Optik (O, 01 , 02), und zwei oder mehr Detektoren (D, D1, D2, D3) die jeweils eine Vielzahl von Detektorelementen zur Erfassung von Detektorsignalen aufweisen, umfasst, wobei die auftreffende Laserstrahlung (101) durch das zumindest eine Beugungsgitter (G, G1 , G2) in Beugungsstrahlung (102) überführt wird, die anschließend mittels der zumindest einen abbildenden Optik {0,01 , 02) auf die Detektoren (D, D1 , D2, D3) gelenkt wird und dort Detektorsignale erzeugt, mit folgenden Schritten:
Auslesen der von einem der Detektoren (D, D1 , D2, D3) erfassten
Detektorsignale mit einer zeitlich konstanten niedrigen Auslesefrequenz im Bereich von 10 Hz - 100 Hz, und der Detektorsignale eines weiteren der zwei oder mehr Detektoren mit einer zeitlich konstanten hohen Auslesefrequenz im Bereich von 500 Hz - 107 Hz, und
auf Basis der derart ausgelesenen Detektorsignale, Ermitteln einer, mehrerer oder aller folgenden Größen:
o Einfallsrichtung der Laserstrahlung,
o Wellenlänge der Laserstrahlung,
o Frequenzbandbreite der Laserstrahlung,
o Pulswiederholrate der Laserstrahlung,
o Pulslänge der Laserstrahlung.
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