GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlanalyse von Lichtstrahlen. Die Erfindung ist geeignet zur schnellen und genauen Bestimmung von geometrischen Parametern wie dem Strahldurchmesser, dem Strahlparameter-Produkt oder dem Strahlpropagationsfaktor. Die Vorrichtung und das Verfahren können zur Strahlanalyse von Laserstrahlen eingesetzt werden.The invention relates to an apparatus and a method for beam analysis of light rays. The invention is suitable for the rapid and accurate determination of geometric parameters such as the beam diameter, the beam parameter product or the beam propagation factor. The apparatus and method can be used for beam analysis of laser beams.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Geometrische Parameter eines Lichtstrahls oder eines Laserstrahls sind wichtige Größen zur Charakterisierung des Strahls. Solche Parameter können beispielsweise der Strahldurchmesser, das Strahlprofil, oder das Strahlparameter-Produkt sein. Das Strahlparameter-Produkt beschreibt das Produkt aus Radius der Strahltaille und Öffnungswinkel des Strahls und ist daher eine Kennzahl für die Fokussierbarkeit eines Lichtstrahls oder Laserstrahls. Andere Kennzahlen oder Bezeichnungen für den gleichen Sachverhalt sind die Strahlqualität, die Strahlqualitätskennzahl, der Strahlpropagationsfaktor, der Modenfaktor oder die Beugungsmaßzahl. Strahlparameter müssen in vielen Produktionsprozessen, bei denen mit Lichtstrahlen gearbeitet wird, zur Qualitätskontrolle in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen werden. Die Definitionen und mathematischen Beziehungen für die Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls sind in der Norm ISO 11146 beschrieben. Für eine vollständige Bestimmung eines Strahls, die auch die Propagationseigenschaften einschließt, ist eine Abtastung des Strahls in mehreren Ebenen längs des Strahls erforderlich. Die genauesten Ergebnisse sind zu erwarten, wenn der Strahl über eine Distanz von mehreren Rayleigh-Längen im Bereich seiner Strahltaille abgetastet wird.Geometric parameters of a light beam or a laser beam are important parameters for the characterization of the beam. Such parameters may be, for example, the beam diameter, the beam profile, or the beam parameter product. The beam parameter product describes the product of the radius of the beam waist and the aperture angle of the beam and is therefore an index for the focusability of a light beam or laser beam. Other measures or terms for the same thing are the beam quality, the beam quality index, the beam propagation factor, the mode factor, or the diffraction metric. Beam parameters must be measured at regular time intervals for quality control in many production processes using light beams. The definitions and mathematical relationships for the determination of geometric parameters of a light beam are described in ISO 11146. For a complete determination of a beam which also includes the propagation properties, scanning of the beam in multiple planes along the beam is required. The most accurate results are expected when the beam is scanned over a distance of several Rayleigh lengths in the region of its beam waist.
Zur Abtastung der Intensitätsverteilung in einer Querschnitts-Ebene des Lichtstrahls sind verschiedene Verfahren bekannt. Eine prinzipielle Möglichkeit zur Messung besteht beispielsweise darin, den Strahl direkt oder indirekt auf einen ortsauflösenden Sensor oder Detektor zu richten, zum Beispiel auf eine CCD-Kamera, und auf diese Weise die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahls zu bestimmen. Aus diesen Daten können auch weitere Informationen wie der Strahldurchmesser, das Strahlprofil oder die Position des Strahls abgeleitet bzw. berechnet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Intensitätsverteilung in einer Ebene mit einem näherungsweise punktförmigen Detektor in einer Raster-Bewegung, z. B. zeilenweise abzutasten.For scanning the intensity distribution in a cross-sectional plane of the light beam, various methods are known. A principal possibility for the measurement consists, for example, of directing the beam directly or indirectly onto a spatially resolving sensor or detector, for example onto a CCD camera, and in this way determining the intensity distribution in the cross section of the beam. From this data, further information such as the beam diameter, the beam profile or the position of the beam can be derived or calculated. Another possibility is the intensity distribution in a plane with an approximately point-shaped detector in a raster motion, z. B. scan line by line.
Die Verwendung eines ortsauflösenden Sensors hat gegenüber der rasternden Abtastung den Vorteil, dass die Aufnahme der Intensitätsverteilung in einer Ebene nur eine sehr kurze Mess-Zeit benötigt. Eine kurze Mess-Zeit ist wichtig, wenn zur Bestimmung der gesamten Strahlparameter bzw. des Strahlpropagationsfaktors die Intensitätsverteilung in mehreren verschiedenen Ebenen abgetastet werden soll.The use of a spatially resolving sensor has the advantage over the raster scanning in that the recording of the intensity distribution in a plane requires only a very short measuring time. A short measurement time is important if the intensity distribution in several different planes is to be scanned in order to determine the total beam parameter or the beam propagation factor.
Zur Abtastung in mehreren Ebenen sind wiederum verschiedene Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Beispielsweise kann der ortsauflösende Sensor auf eine Linearführung gesetzt werden, damit die Abtast-Einheit in axialer Richtung entlang des Strahls verschoben werden kann.For scanning in several levels, in turn, various methods and devices are known. For example, the spatially resolving sensor can be placed on a linear guide, so that the scanning unit can be moved in the axial direction along the beam.
In vielen Fällen ist die Strahltaille des Licht- oder Laser-Strahls nicht direkt zugänglich, oder der Strahl ist kollimiert, so dass die Rayleigh-Länge des Strahls sehr groß ist und eine Abtastung über mehrere Rayleigh-Längen um die Strahltaille herum nicht möglich oder unpraktisch ist. In diesen Fällen ist es üblich, den Strahl zunächst mittels eines Objektivs oder mittels einer Linse zu fokussieren und die Linearführung mit dem Sensor im Fokus-Bereich hinter der Linse zu positionieren. Die Abtastung des Strahls und nachfolgende Bestimmung der geometrischen Parameter des Strahls liefert dann zwar die bildseitigen Strahl-Parameter, diese lassen sich über die Abbildungsgleichungen der Linse in die objektseitigen Parameter umrechnen.In many cases, the beam waist of the light or laser beam is not directly accessible, or the beam is collimated, so that the Rayleigh length of the beam is very large and scanning across several Rayleigh lengths around the beam waist is impractical or impractical is. In these cases, it is customary first to focus the beam by means of a lens or by means of a lens and to position the linear guide with the sensor in the focus area behind the lens. Although the scanning of the beam and subsequent determination of the geometric parameters of the beam then delivers the image-side beam parameters, these can be converted into the object-side parameters via the imaging equations of the lens.
Die Umrechnung der Strahl-Parameter kann man dadurch vereinfachen, dass nicht nur der Sensor auf eine Linearführung gesetzt wird, sondern auch die fokussierende Linse gemeinsam mit dem Sensor auf derselben Linearführung anordnet wird, so dass der Abstand zwischen der Linse und dem Sensor konstant ist, und zur Abtastung des Strahls die Linse und der Sensor gemeinsam relativ zum Lichtstrahl axial verschoben werden. In diesem Fall wird gewissermaßen die zur bildseitigen Sensor-Ebene konjugierte objektseitige Ebene virtuell durch den ursprünglichen Strahl gefahren.The conversion of the beam parameters can be simplified by not only placing the sensor on a linear guide, but also arranging the focusing lens together with the sensor on the same linear guide, so that the distance between the lens and the sensor is constant. and for scanning the beam, the lens and the sensor are displaced axially relative to the light beam. In this case, as it were, the object-side plane conjugate to the image-side sensor plane is virtually driven through the original beam.
Nachteilig bei allen zuvor genannten Systemen und Verfahren ist, dass eine präzise und mechanisch aufwändige Linearführung benötigt wird und relativ große Massen bewegt werden müssen. Damit kann die Positionier-Zeit zur Einstellung verschiedener Mess-Ebenen nicht beliebig verringert werden.A disadvantage of all the aforementioned systems and methods is that a precise and mechanically complex linear guide is required and relatively large masses must be moved. Thus, the positioning time for setting different measurement levels can not be arbitrarily reduced.
Zur Lösung des Problems wird in der WO 2011/127400 A2 eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher der zu vermessende Lichtstrahl mittels teildurchlässiger Spiegel in mehrere parallele Teilstrahlen aufgeteilt wird, die mit jeweils unterschiedlichen Weglängen seitlich versetzt auf denselben Sensor treffen, so dass eine gleichzeitige Aufnahme mehrere Strahlquerschnitte ermöglicht wird. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, dass die einzelnen Strahlquerschnitte sich denselben Sensor teilen und daher die für einen einzelnen Strahlquerschnitt zur Verfügung stehende Fläche und damit die Pixel-Auflösung um einen beträchtlichen Faktor reduziert ist.To solve the problem is in the WO 2011/127400 A2 proposed a device in which the light beam to be measured by means of partially transmissive mirror is divided into a plurality of parallel sub-beams, each with different path lengths laterally offset hit the same sensor, so that a simultaneous Recording multiple beam cross sections is possible. A disadvantage of this device is that the individual beam cross sections share the same sensor and therefore the area available for a single beam cross section and thus the pixel resolution is reduced by a considerable factor.
Eine andere Lösung des Problems ist in der US 8,736,827 B2 offenbart. Die dort gezeigte Vorrichtung besteht aus einer variablen Linse und einem Sensor. Für die variable Linse wird beispielsweise eine elektro-optische Linse oder eine druck-steuerbare Fluid-Linse vorgeschlagen, deren Brennweite variabel eingestellt werden kann. Die bewegte Masse bei der Änderung der Brennweite der variablen Linse ist sehr gering. Auf diese Weise kann die bildseitige Strahltaille sehr schnell axial verstellt werden und Strahlquerschnitte in verschiedenen Ebenen können rasch hintereinander aufgenommen werden. Nachteilig ist, dass aufgrund der veränderlichen Brennweite die bildseitigen Parameter des Strahls von der Brennweite abhängen und somit ebenfalls verändert werden. Eine Auswertung der Daten nach den in der ISO 11146 definierten Formeln ist daher nicht direkt möglich. Vielmehr muss zur Auswertung eine modifizierte Formel verwendet werden (vgl. zweite Formel in Spalte 4 der US 8,736,827 B2 ). Wegen der veränderlichen Brennweite ist eine relativ aufwändige Kalibration der Vorrichtung erforderlich. Dies schränkt die Genauigkeit des Verfahrens ein.Another solution to the problem is in the US 8,736,827 B2 disclosed. The device shown there consists of a variable lens and a sensor. For the variable lens, for example, an electro-optical lens or a pressure-controllable fluid lens is proposed, whose focal length can be set variably. The moving mass when changing the focal length of the variable lens is very small. In this way, the image-side beam waist can be adjusted very quickly axially and beam cross sections in different planes can be quickly taken in a row. The disadvantage is that due to the variable focal length, the image-side parameters of the beam depend on the focal length and thus also be changed. An evaluation of the data according to the formulas defined in ISO 11146 is therefore not directly possible. Rather, a modified formula must be used for the evaluation (see the second formula in column 4 of the US 8,736,827 B2 ). Because of the variable focal length, a relatively complex calibration of the device is required. This limits the accuracy of the method.
Bei variabel einstellbaren Linsen ist bauartbedingt der Einstellbereich der Brennweite begrenzt und auf einen bestimmten Bereich festgelegt. Der zum Durchfahren mehrerer Rayleigh-Längen benötigte Bereich kann, abhängig von den Parametern des zu vermessenden Strahls, größer sein als der Brennweiten-Einstellbereich. Umgekehrt ist es auch möglich, dass die Rayleigh-Länge des fokussierten Strahls sehr kurz ist, und daher der benötigte Einstellbereich zwar sehr kurz ist, dafür aber eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Brennweiten-Einstellung in einem sehr kleinen Bereich erforderlich ist. In beiden Fällen kann die Nutzbarkeit der in der US 8,736,827 B2 offenbarten Vorrichtung deutlich einschränkt sein.For variably adjustable lenses, the adjustment range of the focal length is limited by design and fixed to a specific range. The area required to pass through several Rayleigh lengths may be greater than the focal length adjustment range, depending on the parameters of the beam to be measured. Conversely, it is also possible that the Rayleigh length of the focused beam is very short, and therefore the required adjustment range is very short, but a high accuracy and reproducibility of the focal length adjustment in a very small area is required. In both cases, the usability of the in the US 8,736,827 B2 disclosed device to be clearly limited.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen demnach erhebliche Nachteile auf im Hinblick auf die Auflösung, Genauigkeit, Geschwindigkeit oder bezüglich der Einsetzbarkeit für einen großen Parameter-Bereich.Consequently, the devices and methods known from the prior art have considerable disadvantages in terms of resolution, accuracy, speed or usability for a large range of parameters.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahlanalyse zu schaffen, bei denen mehrere verschiedene Querschnitts-Ebenen eines Lichtstrahls in sehr kurzer Zeit vermessen werden können, und die eine Bestimmung von Strahlparametern des Lichtstrahls mit hoher Genauigkeit ermöglichen.The invention is therefore based on the object to provide a method and an apparatus for beam analysis, in which several different cross-sectional planes of a light beam can be measured in a very short time, and allow a determination of beam parameters of the light beam with high accuracy.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls vorgeschlagen, die ein variables optisches Element, ein Objektiv, und einen ortsauflösenden Detektor umfasst. Dabei hat das variable optische Element eine einstellbare Brennweite und eine bildseitige Hauptfläche, und das Objektiv hat eine konstante Brennweite und eine objektseitige Hauptfläche. Der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptfläche des variablen optischen Elements und der objektseitigen Hauptfläche des Objektivs ist gleich der konstanten Brennweite des Objektivs bei einer Abweichung von höchstens +/–5%. Das Objektiv ist dem variablen optischen Element in Strahlrichtung nachgeschaltet. Der ortsauflösende Detektor ist dem Objektiv in Strahlrichtung nachgeschaltet. Durch Änderung der einstellbaren Brennweite des variablen optischen Elements und durch nachfolgende Fokussierung des Lichtstrahls durch das Objektiv ist eine Fokuslage des fokussierten Lichtstrahls gegenüber dem ortsauflösenden Detektor in axialer Richtung variabel einstellbar.To achieve the object, a device for determining geometric parameters of a light beam is proposed which comprises a variable optical element, an objective, and a spatially resolving detector. At this time, the variable optical element has an adjustable focal length and an image-side major surface, and the objective has a constant focal length and an object-side major surface. The distance between the image-side major surface of the variable optical element and the object-side main surface of the objective is equal to the constant focal length of the objective with a deviation of at most +/- 5%. The objective is connected downstream of the variable optical element in the beam direction. The spatially resolving detector is connected downstream of the objective in the beam direction. By changing the adjustable focal length of the variable optical element and by subsequently focusing the light beam through the objective, a focus position of the focused light beam relative to the spatially resolving detector is variably adjustable in the axial direction.
Es ist eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der die relativen Positionen des Lichtstrahls, des variablen optischen Elements, des Objektivs und des ortsauflösenden Detektors zueinander ortsfest sind.An embodiment of the device is provided in which the relative positions of the light beam, the variable optical element, the objective and the spatially resolving detector are mutually stationary.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Gesamtbrennweite des Systems bestehend aus dem variablen optischen Element und dem Objektiv gleich der konstanten Brennweite des Objektivs mit einer Abweichung von höchstens +/–5%.In one possible embodiment of the invention, the total focal length of the system consisting of the variable optical element and the objective is equal to the constant focal length of the objective with a maximum deviation of +/- 5%.
Es ist auch eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der das variable optische Element eine Fluidlinse umfasst.An embodiment of the device is also provided in which the variable optical element comprises a fluid lens.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das variable optische Element eine adaptive Linse.In a further embodiment of the invention, the variable optical element comprises an adaptive lens.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das variable optische Element einen adaptiven Spiegel.In yet another embodiment of the invention, the variable optical element comprises an adaptive mirror.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung ist eine Linse zur Divergenz-Anpassung in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element angeordnet.In one possible embodiment of the device, a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element.
Es ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, bei der das Objektiv eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe umfasst.An embodiment of the device according to the invention is provided in which the Lens comprises a first lens group and a second lens group.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung mit einem Objektiv, umfassend eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe, kann die erste Linsengruppe des Objektivs eine negative Brechkraft aufweisen, und die zweite Linsengruppe des Objektivs kann eine positive Brechkraft aufweisen, und die konstante Brennweite des Objektivs besitzt insgesamt einen positiven Wert.In one possible embodiment of the invention with an objective comprising a first lens group and a second lens group, the first lens group of the objective may have a negative refractive power, and the second lens group of the objective may have a positive refractive power, and the objective lens has a constant focal length as a whole a positive value.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls vorgeschlagen, welches die nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritte umfasst. Ein Öffnungswinkel des Lichtstrahls wird mittels eines variablen optischen Elements verändert, das eine einstellbare Brennweite und eine bildseitige Hauptfläche aufweist. Der vom variablen optischen Element bezüglich des Öffnungswinkels veränderte Lichtstrahl wird mittels eines Objektivs fokussiert, welches eine konstante Brennweite und eine objektseitige Hauptfläche aufweist. Die einstellbare Brennweite des variablen optischen Elements wird geändert. Dabei werden nacheinander mindestens drei verschiedene Brennweiten eingestellt. Intensitätsverteilungen des vom Objektiv fokussierten Lichtstrahls werden mittels eines ortsauflösenden Detektors registriert, der in Strahlrichtung nach dem Objektiv angeordnet ist. Bei jeder der mindestens drei verschiedenen eingestellten Brennweiten wird jeweils eine Intensitätsverteilung registriert. Schließlich wird aus den registrierten Intensitätsverteilungen ein geometrischer Parameter des Lichtstrahls ermittelt. Dabei ist der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptfläche des variablen optischen Elements und der objektseitigen Hauptfläche des Objektivs gleich der konstanten Brennweite des Objektivs mit einer Abweichung von höchstens +/–5%.To solve the problem, a method for the determination of geometric parameters of a light beam is proposed, which comprises the method steps listed below. An opening angle of the light beam is changed by means of a variable optical element having an adjustable focal length and an image-side major surface. The light beam changed by the variable optical element with respect to the opening angle is focused by means of a lens which has a constant focal length and an object-side main surface. The adjustable focal length of the variable optical element is changed. At least three different focal lengths are set in succession. Intensity distributions of the light beam focused by the lens are registered by means of a spatially resolving detector, which is arranged in the beam direction behind the objective. At each of the at least three different set focal lengths, an intensity distribution is registered in each case. Finally, a geometric parameter of the light beam is determined from the registered intensity distributions. Here, the distance between the image-side major surface of the variable optical element and the object-side major surface of the objective is equal to the constant focal length of the objective with a deviation of at most +/- 5%.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem die relativen Positionen des Lichtstrahls, des variablen optischen Elements, des Objektivs und des ortsauflösenden Detektors zueinander ortsfest sind.A method is also provided in which the relative positions of the light beam, the variable optical element, the objective and the spatially resolving detector are stationary relative to each other.
Bei einem weiteren möglichen Verfahren umfasst das Ermitteln eines geometrischen Parameters des Lichtstrahls aus den registrierten Intensitätsverteilungen ein Ermitteln eines Strahlpropagationsfaktors des Lichtstrahls.In another possible method, determining a geometric parameter of the light beam from the registered intensity distributions comprises determining a beam propagation factor of the light beam.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:The invention will be described in more detail with reference to the following figures, without being limited to the embodiments shown. It shows:
1: Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Strahlanalyse eines Lichtstrahls mit einer variablen Linse mit einstellbarer Brennweite, mittels der ein Strahl fokussiert wird und eine axial verstellbare Fokusposition erzeugt wird, und mit einem Sensor, der im Bereich der einstellbaren Fokusposition angeordnet ist. 1 : A known from the prior art apparatus for beam analysis of a light beam with a variable lens with adjustable focal length, by means of which a beam is focused and an axially adjustable focus position is generated, and with a sensor which is arranged in the region of the adjustable focus position.
2: Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem variablen optischen Element, mit einem Objektiv, welches hinter dem variablen optischen Element angeordnet ist, und mit einem ortsauflösenden Detektor. Bei diesem Ausführungsbeispiel hat das Objektiv eine relativ kurze Brennweite. 2 : A schematic representation of a first embodiment of the invention with a variable optical element, with a lens which is arranged behind the variable optical element, and with a spatially resolving detector. In this embodiment, the lens has a relatively short focal length.
3: Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ähnlich der in 2 gezeigten Ausführungsform. In diesem Ausführungsbeispiel hat das Objektiv eine relativ lange Brennweite. Der Fokus-Einstellbereich liegt dabei nur zum Teil im reellen Bild-Bereich des Objektivs. 3 : A schematic representation of an embodiment of the invention similar to that in FIG 2 shown embodiment. In this embodiment, the lens has a relatively long focal length. The focus adjustment range is only partially in the real image area of the lens.
4: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung ähnlich der in 3 gezeigten Ausführungsform. Der Lichtstrahl ist in diesem Beispiel nicht kollimiert, sondern hat einen Fokus bzw. eine Strahltaille vor der Vorrichtung und breitet sich anschließend divergent aus. Der Fokus-Einstellbereich kann dabei vollständig im realen Bild-Bereich des Objektivs liegen. 4 : A schematic representation of another embodiment of the invention similar to that in FIG 3 shown embodiment. The light beam is not collimated in this example, but has a focus or beam waist in front of the device and then spreads divergently. The focus adjustment range can be completely in the real image area of the lens.
5: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Linse zur Divergenz-Anpassung in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element angeordnet ist. Die Linse zur Divergenz-Anpassung hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine negative Brechkraft. Dadurch ist der Fokus-Einstellbereich nach hinten verschoben. 5 : A schematic representation of a second embodiment of the invention, in which a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element. The lens for divergence adjustment has a negative refractive power in this embodiment. This moves the focus adjustment range backwards.
6: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Objektiv eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe, die zusammen ein Objektiv in Retrofokus-Bauweise bilden, welches eine nach hinten verschobene Hauptfläche besitzt und somit der Fokus-Einstellbereich nach hinten verschoben ist. 6 : A schematic representation of another embodiment of the invention. In this embodiment, the objective comprises a first lens group and a second lens group which together form a retrofocus-type objective having a rearwardly displaced main surface and thus the focus adjustment range is shifted rearward.
7: Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Linse zur Divergenz-Anpassung in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element angeordnet ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Linse zur Divergenz-Anpassung eine positive Brechkraft und ermöglicht die Analyse von Strahlen, die nicht kollimiert sind oder einen Fokus bzw. eine Strahltaille relativ nahe an der Vorrichtung aufweisen. 7 : A schematic representation of an embodiment of the second embodiment of the invention, in which a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element. In the embodiment shown here, the lens for divergence adjustment has a positive refractive power and allows the analysis of rays that are not collimated or have a focus or a beam waist relatively close to the device.
8: Eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der ursprüngliche Lichtstrahl mittels einer Strahl-Abschwächungs-Einrichtung abgeschwächt wird. Beispielhaft sind dazu zwei Strahlteiler dargestellt, die jeweils einen kleinen Teil der Leistung des Lichtstrahls reflektieren und jeweils einen größeren Teil der Leistung des Lichtstrahls transmittieren. Der transmittierte Anteil der Leistung des Lichtstrahls wird von Absorber bzw. Strahlfallen aufgefangen. 8th : A schematic representation of a third embodiment of the invention, in which the original light beam is attenuated by means of a beam attenuation device. By way of example, two beam splitters are shown for this purpose, each of which reflects a small part of the power of the light beam and in each case transmits a larger part of the power of the light beam. The transmitted portion of the power of the light beam is absorbed by absorbers or jet traps.
9: Darstellung zur Bestimmung der Position der Hauptflächen eines aus zwei Linsengruppen zusammengesetzten Objektivs in Retrofokus-Bauweise. 9 : Representation for determining the position of the main surfaces of a lens composed of two lens groups in retrofocus construction.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
1 zeigt eine schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zur Strahlanalyse mit einem variablen optischen Element 20, beispielsweise einer variablen Linse LV, und mit einem ortsauflösenden Detektor 50. Der zu vermessende Lichtstrahl 10 wird von der variablen Linse LV fokussiert. Die Brennweite der variablen Linse LV ist einstellbar in einem Bereich zwischen einer minimalen Brennweite fLV,A und einer maximalen Brennweite fLV,C. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist der zu vermessende Lichtstrahl 10 kollimiert, d. h. die den Lichtstrahl 10 repräsentierenden Linien verlaufen parallel zur optischen Achse 15. In diesem Fall liegt der Fokus 18 des von der variablen Linse LV fokussierten Lichtstrahls 17 gerade im Brennpunkt der variablen Linse LV. Mit der Variation der Brennweite der variablen Linse LV wird also der Fokus 18 des fokussierten Lichtstrahls 17 innerhalb eines Einstellbereichs Δs entlang der optischen Achse 15 axial verschoben. In dem hier gezeigten Beispiel, bei dem der Lichtstrahl 10 kollimiert ist, ist der Fokus-Einstellbereich Δs gleich dem Brennweiten-Einstellbereich fLV,A bis fLV,C der variablen Linse LV. Innerhalb dieses Einstellbereichs Δs wird der ortsauflösende Detektor 50 positioniert, vorzugsweise etwa in der Mitte des Einstellbereichs Δs. Somit kann der Fokus bzw. die Strahltaille 18 des fokussierten Strahls 17 in einem axialen Bereich beiderseits des Detektors 50, d. h. vor und virtuell hinter den ortsauflösenden Detektor 50, positioniert werden. Damit kann eine Reihe von Intensitätsverteilungen in verschiedenen Querschnittsebenen des fokussierten Strahls 17 vom Detektor 50 aufgezeichnet werden. Aus den Intensitätsverteilungen kann u. a. der Strahldurchmesser für jede Querschnittsebene berechnet werden. Aus der Auftragung des Strahldurchmessers über der axialen Position im Strahl kann der Propagationsfaktor des Strahls bestimmt werden. 1 shows a schematic representation of a known from the prior art apparatus for beam analysis with a variable optical element 20 , For example, a variable lens LV, and with a spatially resolving detector 50 , The light beam to be measured 10 is focused by the variable lens LV. The focal length of the variable lens LV is adjustable in a range between a minimum focal length f LV, A and a maximum focal length f LV, C. At the in 1 example shown is the light beam to be measured 10 collimates, ie the light beam 10 representing lines are parallel to the optical axis 15 , In this case, the focus is on 18 of the light beam focused by the variable lens LV 17 just at the focal point of the variable lens LV. With the variation of the focal length of the variable lens LV so the focus 18 of the focused light beam 17 within an adjustment range Δs along the optical axis 15 moved axially. In the example shown here, where the light beam 10 is collimated, the focus adjustment range Δs is equal to the focal length adjustment range f LV, A to f LV, C of the variable lens LV. Within this adjustment range Δs becomes the spatially resolving detector 50 positioned, preferably approximately in the middle of the adjustment range .DELTA.s. Thus, the focus or the beam waist can 18 of the focused beam 17 in an axial region on either side of the detector 50 ie before and virtually behind the spatially resolving detector 50 to be positioned. This allows a series of intensity distributions in different cross-sectional planes of the focused beam 17 from the detector 50 to be recorded. Among other things, the beam diameter for each cross-sectional plane can be calculated from the intensity distributions. From the application of the beam diameter above the axial position in the beam, the propagation factor of the beam can be determined.
Der fokussierte Strahl 17 hat eine Strahltaille 18, also eine axiale Position, an welcher der Strahldurchmesser minimal ist. Diese axiale Position kann, wie bei dem in 1 gezeigten Beispiel, die Fokus-Position des fokussierten Strahls 17 sein. Der Durchmesser der Strahltaille des von der variablen Linse LV fokussierten Lichtstrahls 17 hängt ab von der jeweils eingestellten Brennweite der variablen Linse LV, die Vergrößerung der Vorrichtung ändert sich also über den Einstellbereich Δs. Dies äußert sich auch an unterschiedlichen Öffnungswinkeln des Strahlenkegels des fokussierten Lichtstrahls 17, wie bei den drei in 1 gezeigten Brennweiten-Einstellungen deutlich erkennbar ist. Die Strahlparameter des fokussierten Lichtstrahls 17, insbesondere der Strahltaillendurchmesser und der Öffnungswinkel, sind also nicht konstant, sondern ändern sich mit der eingestellten Brennweite. Aufgrund dieser variierenden Vergrößerung der Messvorrichtung kann die Auswertung der gemessenen Strahldurchmesser in verschiedenen Querschnittsebenen zur Bestimmung eines Propagationsfaktors nicht nach den üblichen in der ISO 11146 beschriebenen Formeln erfolgen. Weiterhin ist eine Umrechnung der gemessenen bildseitigen Strahlparameter auf die gesuchten objektseitigen Parameter des ursprünglichen Strahls erforderlich. Nicht nur die veränderliche Brennweite der variablen Linse LV, auch der Abstand des ortsauflösenden Detektors 50 zur variablen Linse LV beeinflusst die Messergebnisse. Die genaue Bestimmung der Strahlparameter setzt demnach eine aufwändige Kalibration der Vorrichtung voraus. Bei vielen variablen Linsen ist nicht die Brennweite, sondern die Brechkraft der Linse, also der reziproke Wert der Brennweite, ungefähr linear abhängig von einer Stellgröße, z. B. einem elektrischen Strom. Das hat zur Folge, dass die axiale Fokus-Position nichtlinear von der Stellgröße abhängt. In 1 ist dies erkennbar daran, dass die Fokusposition B 46 für die mittlere einstellbare Brechkraft 26 nicht in der Mitte des Einstellbereichs Δs liegt, sondern viel näher an der Fokusposition A, 45, bei der größten einstellbaren Brechkraft 25. Die erzielbare axiale Auflösung ist somit innerhalb des Einstellbereichs Δs nicht konstant.The focused beam 17 has a beam waist 18 , ie an axial position at which the beam diameter is minimal. This axial position can, as in the in 1 shown example, the focus position of the focused beam 17 be. The diameter of the beam waist of the light beam focused by the variable lens LV 17 depends on the respectively set focal length of the variable lens LV, the magnification of the device thus changes over the adjustment range Δs. This manifests itself also at different opening angles of the beam cone of the focused light beam 17 like the three in 1 shown focal length settings is clearly visible. The beam parameters of the focused light beam 17 , in particular the jet waist diameter and the opening angle, are therefore not constant, but change with the set focal length. Because of this varying magnification of the measuring device, the evaluation of the measured beam diameters in different cross-sectional planes for determining a propagation factor can not take place according to the usual formulas described in ISO 11146. Furthermore, a conversion of the measured image-side beam parameters to the searched object-side parameters of the original beam is required. Not only the variable focal length of the variable lens LV, but also the distance of the spatially resolving detector 50 to the variable lens LV influences the measurement results. The exact determination of the beam parameters therefore requires a complex calibration of the device. In many variable lenses is not the focal length, but the refractive power of the lens, so the reciprocal value of the focal length, approximately linearly dependent on a manipulated variable, for. B. an electric current. This has the consequence that the axial focus position depends non-linearly on the manipulated variable. In 1 this is evident from the fact that the focus position B 46 for the average adjustable refractive power 26 is not in the middle of the adjustment range Δs, but much closer to the focus position A, 45 , at the largest adjustable refractive power 25 , The achievable axial resolution is thus not constant within the adjustment range Δs.
Die variierende Vergrößerung, die aufwändige Kalibration, die erforderliche Umrechnung auf die Strahlparameter des ursprünglichen zu vermessenden Strahls 10, sowie die schwankende axiale Auflösung machen die in 1 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung und die zugehörigen Verfahren fehleranfällig und beschränken die erreichbare Genauigkeit.The varying magnification, the complex calibration, the required conversion to the beam parameters of the original beam to be measured 10 , as well as the fluctuating axial resolution make the in 1 represented, known from the prior art device and the associated methods error prone and limit the achievable accuracy.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform der Erfindung. Der zu vermessende Lichtstrahl 10 trifft auf ein variables optisches Element (VOE) 20 mit einer einstellbaren Brennweite. Das variable optische Element 20 bildet den Lichtstrahl 10 nicht auf einen ortsauflösenden Detektor 50 ab, sondern verändert einstellbar den Öffnungswinkel, d. h. den Divergenz- oder den Konvergenzwinkel des Lichtstrahls. Zwischen dem variablen optischen Element 20 und dem Detektor 50 ist ein Objektiv 30 angeordnet. Das Objektiv 30 fokussiert den Lichtstrahl, so dass eine Strahltaille 18 des fokussierten Lichtstrahls 17 in einem Einstellbereich Δs erzeugt wird. Der ortsauflösende Detektor 50 ist innerhalb des Einstellbereichs Δs angeordnet, so dass bei Veränderung der Brennweite des variablen optischen Elements 20 die Strahltaille 18 in einem axialen Bereich um den Detektor 50 herum verschoben werden kann. Auf diese Weise können sukzessiv mehrere verschiedene Querschnitte des Strahls 17 rasch hintereinander abgetastet werden. Der Abstand zwischen dem variablen optischen Element 20 und dem Objektiv 30 beträgt ungefähr die Brennweite des Objektivs 30. Genauer gesagt, ist der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptfläche H'VOE 22 des variablen optischen Elements 20 und der objektseitigen Hauptfläche HObj 31 des Objektivs 30 etwa gleich der Brennweite fObj des Objektivs 30. Der Abbildungsmaßstab bzw. die Vergrößerung der Strahltaille 18 ist nicht von der Brennweite des variablen optischen Elements 20 abhängig. Dies ist erkennbar an den identischen Öffnungswinkeln des Strahlenkegels des fokussierten Lichtstrahls 17 bei den drei in 2 beispielhaft gezeigten Strahlen für unterschiedliche Brennweiten des variablen optischen Elements 20. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennweite des Objektivs 30 relativ kurz gewählt, so dass der Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 mit den beispielhaft gezeigten Positionen A, B und C der Fokuslagen 45, 46, 47 vollständig im Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegt. 2 shows a schematic representation of a first possible embodiment of the invention. The light beam to be measured 10 meets a variable optical element (VOE) 20 with an adjustable focal length. The variable optical element 20 forms the light beam 10 not on a spatially resolving detector 50 but changed adjustable the opening angle, ie the Divergence or the convergence angle of the light beam. Between the variable optical element 20 and the detector 50 is a lens 30 arranged. The objective 30 Focused the beam of light, leaving a beam waist 18 of the focused light beam 17 is generated in a setting range Δs. The spatially resolving detector 50 is arranged within the adjustment range Δs, so that when the focal length of the variable optical element is changed 20 the beam waist 18 in an axial region around the detector 50 can be moved around. In this way, successively several different cross sections of the beam 17 be scanned quickly in quick succession. The distance between the variable optical element 20 and the lens 30 is about the focal length of the lens 30 , More specifically, the distance between the image-side major surface H 'is VOE 22 of the variable optical element 20 and the object-side main surface H obj 31 of the lens 30 approximately equal to the focal length f Obj of the lens 30 , The magnification or the magnification of the beam waist 18 is not of the focal length of the variable optical element 20 dependent. This can be seen from the identical opening angles of the beam cone of the focused light beam 17 at the three in 2 exemplified beams for different focal lengths of the variable optical element 20 , In the in 2 shown embodiment of a first embodiment of the invention is the focal length of the lens 30 chosen relatively short, so that the adjustment range Δs of the beam waist 18 with the positions A, B and C of the focal positions shown by way of example 45 . 46 . 47 completely in the picture space behind the lens 30 lies.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Brennweite des Objektivs 30 relativ lang gewählt. Dadurch ist zwar einerseits der Einstellbereich Δs deutlich größer als bei einer kurzen Brennweite des Objektivs 30, andererseits kann es dazu kommen, dass der Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 nicht mehr vollständig im Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegt. Dadurch kann der für den Detektor 50 zugängliche Abtastbereich des fokussierten Strahls 17 eingeschränkt sein. 3 shows a further embodiment of the first embodiment of the invention. Unlike the in 2 example shown is the focal length of the lens 30 chosen relatively long. As a result, on the one hand, the setting range Δs is significantly greater than with a short focal length of the objective 30 On the other hand, it may happen that the adjustment range .DELTA.s of the beam waist 18 no longer completely in the picture space behind the lens 30 lies. This can be the one for the detector 50 accessible scanning range of the focused beam 17 to be disabled.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung ähnlich wie in 3 dargestellt. Im Unterschied zu 3 ist der zu vermessende Lichtstrahl 10 hier jedoch nicht kollimiert, sondern besitzt relativ nahe vor der Vorrichtung einen Fokus bzw. eine Strahltaille 11 und breitet sich anschließend divergent aus. Ein solcher Anwendungsfall ist typisch für die Vermessung eines Laserstrahls 10, der zuvor von einer Bearbeitungsoptik fokussiert wurde. Die Bearbeitungsoptik ist hier nicht dargestellt, da diese nicht Teil der Messvorrichtung ist. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel liegt aufgrund der Divergenz des Stahls 10 der Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 vollständig im Bildraum hinter dem Objektiv 30.In 4 is an embodiment of the first embodiment of the invention similar to in 3 shown. In contrast to 3 is the light beam to be measured 10 but not collimated here, but has a focus or beam waist relatively close to the device 11 and then spread divergently. Such an application is typical for the measurement of a laser beam 10 which was previously focused by a processing optics. The processing optics is not shown here, as this is not part of the measuring device. At the in 4 shown example is due to the divergence of the steel 10 the adjustment range Δs of the beam waist 18 completely in the picture space behind the lens 30 ,
Bei der in 5 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vor dem variablen optischen Element 20 eine Linse zur Divergenz-Anpassung LD 60 angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Linse zur Divergenz-Anpassung 60 eine negative Brechkraft, wodurch der zuvor kollimierte Lichtstrahl 10 divergent wird. Dadurch ist der Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 nach hinten verschoben und liegt vollständig im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30.At the in 5 shown second embodiment of the invention is in front of the variable optical element 20 a lens for divergence adjustment LD 60 arranged. In the embodiment shown here, the lens has divergence matching 60 a negative refractive power, whereby the previously collimated light beam 10 becomes divergent. As a result, the adjustment range Δs of the beam waist 18 moved backwards and lies completely in the real image space behind the lens 30 ,
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Objektiv 30 zusammengesetzt aus einer ersten Linsengruppe 35 und einer zweiten Linsengruppe 36. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hat die erste Linsengruppe 35 eine negative Brechkraft und die zweite Linsengruppe 36 eine positive Brechkraft. Die erste Linsengruppe 35 und die zweite Linsengruppe 36 bilden zusammen ein Objektiv 30 in Retrofokus-Bauweise, welches eine nach hinten verschobene Hauptfläche besitzt. Damit wird auch der Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 nach hinten verschoben und kann vollständig im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegen. 6 shows a further embodiment of the first embodiment of the invention. In this embodiment, the lens is 30 composed of a first lens group 35 and a second lens group 36 , In the illustrated embodiment, the first lens group 35 a negative refractive power and the second lens group 36 a positive refractive power. The first lens group 35 and the second lens group 36 Together they form a lens 30 in retrofocus construction, which has a rearwardly shifted main surface. Thus also the adjustment range Δs of the beam waist becomes 18 moved backwards and can be completely in the real image space behind the lens 30 lie.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der eine Linse 60 zur Divergenz-Anpassung in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element 20 angeordnet ist. Wenn der zu vermessende Lichtstrahl 10 eine relativ hohe Divergenz und eine Strahltaille 11 nahe der Messvorrichtung besitzt, kann der Fokus-Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 relativ weit nach hinten verschoben sein. Mit der Linse 60 zur Divergenz-Anpassung wird ein Brechkraft-Offset zur einstellbaren Brechkraft des variablen optischen Elements 20 addiert, womit der Einstellbereich Δs um einen bestimmten Betrag axial verschoben wird. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Linse 60 zur Divergenz-Anpassung eine positive Brechkraft, so dass der Einstellbereich Δs näher zum Objektiv verschoben wird. Die Analyse von Strahlen 10, die nicht kollimiert sind und einen Fokus bzw. eine Strahltaille 11 relativ nahe an der Vorrichtung aufweisen, kann so mit einer kompakten Vorrichtung erfolgen, deren Baugröße nicht unnötig lang ist.In 7 is shown a further embodiment of the second embodiment of the invention, wherein a lens 60 for divergence adjustment in the beam direction in front of the variable optical element 20 is arranged. If the light beam to be measured 10 a relatively high divergence and a beam waist 11 near the measuring device, the focus adjustment range Δs of the beam waist can be made 18 be moved relatively far to the rear. With the lens 60 for divergence adjustment, a power offset becomes the adjustable power of the variable optical element 20 added, whereby the adjustment range .DELTA.s is axially displaced by a certain amount. In the embodiment shown here has the lens 60 for divergence adjustment a positive refractive power, so that the adjustment range .DELTA.s moved closer to the lens. The analysis of rays 10 that are not collimated and have a focus or beam waist 11 relatively close to the device, so can be done with a compact device whose size is not unnecessarily long.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in 8 schematisch dargestellt. Bei der Vermessung von Lichtstrahlen 10 mit hoher Lichtintensität, beispielsweise von Laserstrahlen, kann der ortsauflösende Detektor 50 möglicherweise übersteuert werden. In solchen Situationen ist es vorteilhaft, den Strahl abzuschwächen. Die 8 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel mit einer Einrichtung zur Strahl-Abschwächung. Die Einrichtung zur Strahlabschwächung besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei Strahlteilern 70, die vor dem variablen optischen Element angeordnet sind. Jeder Strahlteiler 70 reflektiert einen kleinen Anteil des Lichtstrahls 10, so dass nach zweimaliger Reflexion der Lichtstrahl 10 eine wesentlich reduzierte Intensität aufweist. Wenn die beiden Strahlteiler 70 räumlich so angeordnet sind, dass die Reflexions-Ebenen um 90° zueinander verdreht sind, kann mittels dieser Einrichtung eine sehr präzise polarisationsunabhängige Abschwächung erzielt werden. Die überflüssigen, von den Strahlteilern transmittierten Strahlanteile können von Strahlfallen oder Absorber 74 aufgefangen werden.A third embodiment of the invention is in 8th shown schematically. In the measurement of light rays 10 with high light intensity, for example of laser beams, the spatially resolving detector 50 may be overridden. In such situations, it is beneficial to attenuate the beam. The 8th shows an embodiment with a device for beam Slowdown. The device for beam attenuation consists in this embodiment of two beam splitters 70 which are arranged in front of the variable optical element. Each beam splitter 70 reflects a small portion of the light beam 10 , so that after twice reflection of the light beam 10 has a significantly reduced intensity. If the two beam splitters 70 are spatially arranged so that the reflection planes are rotated by 90 ° to each other, a very precise polarization-independent attenuation can be achieved by means of this device. The superfluous beam components transmitted by the beam splitters can be generated by beam traps or absorbers 74 be caught.
9 veranschaulicht die Lage der Hauptflächen und der Brennpunkte bei einem aus zwei Linsengruppen 35, 36 zusammengesetzten Retrofokus-Objektiv. Ein derartiges Objektiv ist in den Ausführungsbeispielen der Erfindung in den 6, 7 und 8 als Objektiv 30 beispielhaft dargestellt. Die objektseitige Hauptfläche 31 liegt dort, wo sich die vom objektseitigen Brennpunkt 33 ausgehenden Strahlen mit den nach der Abbildung durch das Objektiv 30 achsparallelen Strahlen treffen würden, wenn man die Strahlen virtuell verlängert (dargestellt im oberen Teil der 9). Die bildseitige Hauptfläche 32 liegt dort, wo sich die achsparallelen Strahlen mit den nach der Abbildung durch das Objektiv 30 durch den bildseitigen Brennpunkt 34 verlaufenden Strahlen treffen würden, wenn man die Strahlen virtuell verlängert (unterer Teil der 9). Die Hauptflächen 31, 32 sind also die Flächen, an denen man sich die brechende Wirkung aller Elemente des Objektivs 30 auf eine Fläche reduziert vorstellen kann. Bei dem gezeigten Beispiel sind die Hauptflächen 31, 32 sehr weit nach hinten verschoben. Dies ist in den Ausführungsbeispielen der Erfindung in den 6, 7 und 8 vorteilhaft, um trotz einer sehr großen Brennweite des Objektivs 30 eine kompakte Bauform zu realisieren. Wegen der nach hinten verschobenen Hauptfläche 31 muss das Objektiv sehr dicht hinter dem variablen optischen Element 20 angeordnet werden, um die Abstands-Bedingung zwischen dem variablen optischen Element 20 und dem Objektiv 30 zu erfüllen (vgl. dazu die 6, 7, 8). Dies trägt ebenfalls zu einem kompakten Aufbau bei. 9 illustrates the location of major surfaces and foci in one of two lens groups 35 . 36 composite retrofocus lens. Such a lens is in the embodiments of the invention in the 6 . 7 and 8th as a lens 30 exemplified. The object-side main surface 31 is where the focus from the object side 33 outgoing rays with the after picture through the lens 30 parallel rays could be made by extending the rays virtually (shown in the upper part of the 9 ). The image-side main surface 32 lies where the paraxial rays with the after the picture through the lens 30 through the image-side focal point 34 running rays would, if one extends the rays virtually (lower part of the 9 ). The main surfaces 31 . 32 So are the areas where you look at the breaking effect of all the elements of the lens 30 can imagine reduced to an area. In the example shown, the main surfaces 31 . 32 moved very far to the back. This is in the embodiments of the invention in the 6 . 7 and 8th advantageous in spite of a very large focal length of the lens 30 to realize a compact design. Because of the rearward shifted main surface 31 the lens must be very close behind the variable optical element 20 be arranged to the distance condition between the variable optical element 20 and the lens 30 to fulfill (see the 6 . 7 . 8th ). This also contributes to a compact construction.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Es soll ein Lösung für das Problem angegeben werden, dass aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur Strahlanalyse relativ aufwändige Einrichtungen zur Abtastung mehrerer Ebenen erfordern, eine lange Mess-Zeit benötigen, eine geringe Genauigkeit aufweisen, oder anfällig gegenüber systematischen Fehlerquellen sind. Demgegenüber soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlanalyse geschaffen werden, die eine Vermessung mehrerer verschiedener Querschnitts-Ebenen eines Lichtstrahls in kurzer Zeit ermöglichen und eine Bestimmung von Strahlparametern des Lichtstrahls mit hoher Genauigkeit erlauben.It is intended to provide a solution to the problem that prior art beam analysis apparatuses require relatively sophisticated multi-level scanning devices, require a long measurement time, have low accuracy, or are susceptible to systematic error sources. In contrast, an apparatus and a method for beam analysis are to be created, which allow a measurement of several different cross-sectional planes of a light beam in a short time and allow determination of beam parameters of the light beam with high accuracy.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein variables optisches Element (VOE) 20, ein Objektiv 30, und einen ortsauflösenden Detektor 50 umfasst, die hintereinander im Strahlengang eines zu vermessenden Lichtstrahls 10 angeordnet sind. Das variable optische Element 20 besitzt eine einstellbare Brennweite, die mittels einer Stellgröße zwischen einer minimalen Brennweite und einer maximalen Brennweite verändert werden kann. Die Brechkraft eines optischen Elements ist gleich der reziproken Brennweite des optischen Elements, also entspricht die minimal einstellbare Brennweite einer maximalen Brechkraft, und die maximal einstellbare Brennweite entspricht einer minimalen Brechkraft.To solve the problem, a device is proposed which has a variable optical element (VOE). 20 , a lens 30 , and a spatially resolving detector 50 comprising, one behind the other in the beam path of a light beam to be measured 10 are arranged. The variable optical element 20 has an adjustable focal length, which can be changed by means of a manipulated variable between a minimum focal length and a maximum focal length. The refractive power of an optical element is equal to the reciprocal focal length of the optical element, that is, the minimum adjustable focal length corresponds to a maximum refractive power, and the maximum adjustable focal length corresponds to a minimum refractive power.
Das variable optische Element 20 weist weiterhin eine bildseitige Hauptfläche H'VOE 22 auf. Aus dem Fachgebiet der technischen Optik ist bekannt, dass die bildseitige Hauptfläche einer Linse eine virtuelle Fläche ist, an der die Brechung achsparalleler Strahlen stattfinden würde, wenn man die üblicherweise an mehreren optischen Grenzflächen einer Linse stattfindende Brechung auf eine Fläche reduziert betrachtet. Der Abstand des Schnittpunkts zwischen der bildseitigen Hauptfläche einer Linse und der optischen Achse zum bildseitigen Brennpunkt der Linse ist daher gleich der Brennweite der betrachteten Linse.The variable optical element 20 also has an image-side major surface H ' VOE 22 on. It is known from the field of technical optics that the image-side main surface of a lens is a virtual surface on which the refraction of axially parallel rays would take place, if one considers the refraction usually taking place at several optical interfaces of a lens reduced to one surface. The distance of the intersection between the image-side major surface of a lens and the optical axis to the image-side focal point of the lens is therefore equal to the focal length of the subject lens.
Das Objektiv 30 besitzt eine konstante Brennweite fObj und eine objektseitige Hauptfläche HObj 31. Erfindungsgemäß ist das Objektiv 30 in Strahlrichtung hinter dem variablen optischen Element 20 in einem definierten Abstand zum variablen optischen Element 20 angeordnet. Der Abstand H'VOEHObj von der bildseitigen Hauptfläche H'VOE 22 des variablen optischen Elements (VOE) 20 zur objektseitigen Hauptfläche HObj 31 des Objektivs 30 soll etwa gleich der Brennweite fObj des Objektivs 30 sein.The objective 30 has a constant focal length f Obj and an object-side major surface H Obj 31 , According to the invention, the lens 30 in the beam direction behind the variable optical element 20 at a defined distance from the variable optical element 20 arranged. The distance H ' VOE H Obj from the image side major surface H' VOE 22 of the variable optical element (VOE) 20 to the object-side main surface H Obj 31 of the lens 30 should be about the same as the focal length f obj of the lens 30 be.
Die Lage der bildseitigen Hauptfläche H'VOE 22 des variablen optischen Elements 20 kann, beispielsweise bei Verwendung einer Fluidlinse mit veränderlicher Mittendicke, in einem kleinen Bereich schwanken. Diese Schwankung kann typischerweise einige 1/10 mm bis zu einigen mm betragen. Daher ist es vorgesehen, eine geringe Abweichung von der idealen Abstands-Bedingung zwischen dem variablen optischen Element VOE 20 und dem Objektiv 30 zuzulassen. Der Abstand H'VOEHObj zwischen der bildseitigen Hauptebene H'VOE 22 des variablen optischen Elements 20 und der objektseitigen Hauptfläche HObj 31 des Objektivs 30 soll in einem Bereich von 0,95·fObj ≤ H'VOEHObj ≤ 1,05·fObj liegen. Mit anderen Worten, der Abstand zwischen den Hauptflächen H'VOEHObj soll gleich der Brennweite fObj des Objektivs 30 mit einer maximalen Abweichung von +/–5% betragen.The position of the image-side main surface H ' VOE 22 of the variable optical element 20 For example, when using a fluid lens with variable center thickness, can vary in a small range. This variation can typically be from a few 1/10 mm to a few mm. Therefore, it is intended to have a small deviation from the ideal distance condition between the variable optical element VOE 20 and the lens 30 permit. The distance H ' VOE H Obj between the image-side main plane H' VOE 22 of the variable optical element 20 and the object-side main surface H obj 31 of the lens 30 should be in a range of 0.95 * f Obj ≤ H ' VOE H Obj ≤ 1.05 * f Obj . With In other words, the distance between the major surfaces H ' VOE H Obj should be equal to the focal length f Obj of the objective 30 with a maximum deviation of +/- 5%.
In Strahlrichtung hinter dem Objektiv 30 ist der ortsauflösende Detektor 50 angeordnet. Der ortsauflösende Detektor 50 ist ein lichtempfindlicher Sensor, der die lokale Licht-Intensität registrieren kann. Unter dem Begriff „ortsauflösend” ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Sensor nicht einen einzelnen Messwert integral über seine ganze Fläche registriert, sondern mehrere über die Fläche verteilte Zellen besitzt und so eine zweidimensionale laterale Lichtverteilung registrieren kann. Der ortsauflösende Detektor 50 kann beispielsweise eine CCD-Kamera, ein CMOS-Chip oder ein sonstiger Pixel-basierter lichtempfindlicher Detektor sein. Mit dem ortsauflösenden Detektor 50 wird die Intensitätsverteilung des fokussierten Lichtstrahls 17 in einer Querschnittsebene des Lichtstrahls 17 aufgezeichnet. Der ortsauflösende Detektor 50 ist in einem Abstand zum Objektiv 30 angeordnet, bei dem durch Variation der Brennweite des variablen optischen Elements 20 die Strahltaille 18 des fokussierten Lichtstrahls 17 sowohl vor (z. B. vordere Endlage A, 45, des Fokus-Einstellbereichs Δs) als auch virtuell hinter dem ortsauflösenden Detektor 50 positioniert werden kann (z. B. hintere Endlage C, 47, des Fokus-Einstellbereichs Δs).In the beam direction behind the lens 30 is the spatially resolving detector 50 arranged. The spatially resolving detector 50 is a light-sensitive sensor that can register the local light intensity. The term "local resolution" in this context means that the sensor does not register a single measured value integrally over its entire surface, but has a plurality of cells distributed over the surface and thus can register a two-dimensional lateral light distribution. The spatially resolving detector 50 may be, for example, a CCD camera, a CMOS chip or other pixel-based photosensitive detector. With the spatially resolving detector 50 becomes the intensity distribution of the focused light beam 17 in a cross-sectional plane of the light beam 17 recorded. The spatially resolving detector 50 is at a distance to the lens 30 arranged by varying the focal length of the variable optical element 20 the beam waist 18 of the focused light beam 17 both before (eg front end position A, 45 , the focus adjustment range Δs) as well as virtually behind the spatially resolving detector 50 can be positioned (eg rear end position C, 47 , the focus adjustment range Δs).
Aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmale ergibt sich eine besondere Funktionsweise der Vorrichtung. Der zu vermessende Lichtstrahl 10 trifft auf das variable optische Element (VOE) 20. Das variable optische Element 20 beeinflusst den Lichtstrahl 10 in der Weise, dass der Öffnungswinkel des Strahlenkegels des Lichtstrahls 10 aufgrund der Brechung durch das variable optische Element 20 geändert wird. Je nach eingestellter Brennweite des variablen optischen Elements wird der Öffnungswinkel des Strahlenkegels stärker oder schwächer beeinflusst. Beim gezeigten Beispiel in 2 ist der zu vermessende Strahl 10 kollimiert und ist nach der Beeinflussung durch das variable optische Element 20 konvergent, wobei der Konvergenzwinkel (bzw. Öffnungswinkel) von der eingestellten Brennweite bzw. Brechkraft des variablen optischen Elements 20 abhängt. In 2 sind beispielhaft drei Strahlen dargestellt, die den gebrochenen Strahl bei minimaler, mittlerer und maximaler Brechkraft repräsentieren. Anschließend wird der vom variablen optischen Element 20 beeinflusste Lichtstrahl 10 vom Objektiv 30 fokussiert. Aufgrund des einstellbaren Öffnungswinkels bzw. Konvergenzwinkels des Lichtstrahls 10 nach dem variablen optischen Element 20 ergibt sich nach der Fokussierung durch das Objektiv 30 eine einstellbare axiale Position (beispielsweise A, B oder C) der Strahltaille 18 des fokussierten Lichtstrahls 17. Nach der Fokussierung durch das Objektiv 30 ist der Öffnungswinkel bzw. Konvergenzwinkel des fokussierten Lichtstrahls konstant. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Gesamt-Brennweite des aus dem variablen optischen Element 20 und dem Objektiv 30 zusammengesetzten Systems konstant ist, obwohl die Brennweite bzw. die Brechkraft des variablen optischen Elements VOE 20 verschiedene Werte aufweisen kann.Due to the features of the invention results in a special operation of the device. The light beam to be measured 10 meets the variable optical element (VOE) 20 , The variable optical element 20 affects the light beam 10 in such a way that the opening angle of the beam cone of the light beam 10 due to refraction by the variable optical element 20 will be changed. Depending on the set focal length of the variable optical element, the opening angle of the beam cone is influenced more or less. In the example shown in 2 is the beam to be measured 10 collimated and is after the influence of the variable optical element 20 convergent, wherein the convergence angle (or opening angle) of the set focal length or refractive power of the variable optical element 20 depends. In 2 By way of example, three rays are shown representing the refracted ray at minimum, average and maximum refractive power. Subsequently, the variable optical element 20 influenced light beam 10 from the lens 30 focused. Due to the adjustable opening angle or convergence angle of the light beam 10 after the variable optical element 20 results after focusing through the lens 30 an adjustable axial position (eg A, B or C) of the beam waist 18 of the focused light beam 17 , After focusing through the lens 30 the angle of aperture or convergence angle of the focused light beam is constant. This is equivalent to saying that the total focal length of the variable optical element 20 and the lens 30 composite system is constant, although the focal length and the refractive power of the variable optical element VOE 20 may have different values.
Die Gesamt-Brennweite fG eines aus zwei Linsen 1 und 2 zusammengesetzten Systems kann nach folgender, aus der technischen Optik bekannten Formel bestimmt werden: fG = f1f2/(f1 + f2 – e) The total focal length f G of a system composed of two lenses 1 and 2 can be determined according to the following formula known from the technical optics: f G = f 1 f 2 / (f 1 + f 2 -e)
Dabei ist f1 die Brennweite der ersten Linse 1, f2 die Brennweite der zweiten Linse 2, und e ist der Abstand der beiden Linsen. Auf die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet, entspricht das variable optische Element (VOE) 20 mit der Brennweite fVOE der ersten Linse 1, das Objektiv 30 mit der Brennweite fObj entspricht der zweiten Linse 2, und der Abstand e der Linsen ist, optisch exakt formuliert, der Abstand der bildseitigen Hauptfläche der ersten Linse 1 zur objektseitigen Hauptfläche der zweiten Linse 2. Dieser Abstand e soll erfindungsgemäß etwa gleich der Brennweite fObj des Objektivs 30 sein. Es ergibt sich: fG = fVOEfObj/(fVOE + fObj – e) Mit e ≈ fObj folgt: fG ≈ fObj Here f 1 is the focal length of the first lens 1, f 2 is the focal length of the second lens 2, and e is the distance between the two lenses. Applied to the device according to the invention, corresponds to the variable optical element (VOE) 20 with the focal length f VOE of the first lens 1, the lens 30 with the focal length f Obj corresponds to the second lens 2, and the distance e of the lenses is, optically exactly formulated, the distance of the image-side major surface of the first lens 1 to the object-side major surface of the second lens 2. This distance e is inventively approximately equal to the focal length f Obj of the lens 30 be. It follows: G f = f f VOE Obj / (f + f VOE Obj - e) With e ≈ f Obj follows: f G ≈ f Obj
Die Gesamt-Brennweite fG ist also etwa gleich der Brennweite des Objektivs 30 und somit unabhängig von der Brennweite des variablen optischen Elements (VOE) 20. Aufgrund der konstanten Gesamt-Brennweite ist der Durchmesser der Strahltaille 18 über den gesamten Einstellbereich Δs hinweg konstant. Die Strahlparameter des fokussierten Lichtstrahls 17 sind also konstant und ändern sich nicht bei Verstellung der axialen Position der Strahltaille 18. Der Propagationsfaktor oder das Strahlparameter-Produkt kann daher aus den Strahlradien in den verschiedenen Querschnittsebenen des Lichtstrahls konform mit der Vorgehensweise nach ISO 11146 bestimmt werden.The total focal length f G is thus approximately equal to the focal length of the lens 30 and thus independent of the focal length of the variable optical element (VOE) 20 , Due to the constant total focal length is the diameter of the beam waist 18 constant over the entire adjustment range Δs. The beam parameters of the focused light beam 17 are therefore constant and do not change when adjusting the axial position of the beam waist 18 , The propagation factor or the beam parameter product can therefore be determined from the beam radii in the different cross-sectional planes of the light beam in conformity with the procedure according to ISO 11146.
Es ist vorgesehen, dass der Abstand H'VOEHObj zwischen der bildseitigen Hauptfläche des variablen optischen Elements 20 und der objektseitigen Hauptfläche des Objektivs 30 gleich der Brennweite fObj des Objektivs 30 mit einer maximalen Abweichung von +/–5% betragen soll. Diese maximal vorgesehene Abweichung hat nur eine geringe Auswirkung auf die Konstanz der Gesamt-Brennweite bzw. auf die Vergrößerung des Systems; deren Schwankungen betragen dann typischerweise höchstens einige Prozent.It is provided that the distance H ' VOE H Obj between the image-side main surface of the variable optical element 20 and the object-side main surface of the lens 30 equal to the focal length f obj of the lens 30 with a maximum deviation of +/- 5%. This maximum deviation has only a small effect on the constancy of the total focal length or on the magnification of the system; their fluctuations then typically amount to at most a few percent.
Nicht nur die Konstanz der Brennweite des aus dem variablen optischen Element 20 und dem Objektiv 30 zusammengesetzten Systems ist eine günstige Eigenschaft. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft ergibt sich daraus, dass die konstante Brennweite des zusammengesetzten Systems gleich der Brennweite des Objektivs 30 ist. Damit kann über die geeignete Wahl der Brennweite des Objektivs 30 die Größe der Strahltaille 18 des fokussierten Strahls 17 unabhängig vom festgelegten Brennweiten-Einstellbereich des variablen optischen Elements 20 auf einen gewünschten Wert angepasst werden, um die messtechnische Auflösung bei der Aufnahme der Intensitätsverteilungen in den Querschnittsebenen des Lichtstrahls 17 zu optimieren. Not just the constancy of the focal length of the variable optical element 20 and the lens 30 composite system is a favorable feature. A further advantageous feature results from the fact that the constant focal length of the composite system is equal to the focal length of the objective 30 is. This can be about the appropriate choice of the focal length of the lens 30 the size of the beam waist 18 of the focused beam 17 regardless of the fixed focal length setting range of the variable optical element 20 adjusted to a desired value to the metrological resolution when recording the intensity distributions in the cross-sectional planes of the light beam 17 to optimize.
Eine weitere günstige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt sich bei der Betrachtung des Einstellbereichs Δs für die Strahltaillen-Position. Vereinfacht wird ein zu vermessender Lichtstrahl 10 betrachtet, der kollimiert ist. Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung wie in 1 ist dann der Einstellbereich Δs unmittelbar gleich der Differenz aus der maximalen Brennweite und der minimalen Brennweite des variablen optischen Elements bzw. der variablen Linse LV: Δs = fLV,C – fLV,A. Beim Stand der Technik ist also der Einstellbereich Δs durch die Eigenschaften des variablen optischen Elements festgelegt.Another favorable property of the device according to the invention is evident when considering the setting range Δs for the beam waist position. A light beam to be measured is simplified 10 considered collimated. In a known from the prior art device as in 1 is then the adjustment range Δs immediately equal to the difference between the maximum focal length and the minimum focal length of the variable optical element or the variable lens LV: Δs = f LV, C - f LV, A. Thus, in the prior art, the adjustment range Δs is determined by the characteristics of the variable optical element.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen ergibt sich der Einstellbereich Δs aus folgender Formel: Δs = (fObj)2[(1/fVOE,min) – (1/fVOE,max)] In the case of the device according to the invention, on the other hand, the setting range Δs results from the following formula: Δs = (f Obj ) 2 [(1 / f VOE, min ) - (1 / f VOE, max )]
Damit kann also über die Auswahl einer geeigneten Brennweite fObj des Objektivs 30 der Einstellbereich Δs an den gewünschten oder benötigten Bereich angepasst werden, ohne durch den festgelegten Brennweiten-Einstellbereich fVOE,min bis fVOE,max eines variablen optischen Elements 20 beschränkt zu sein.Thus, it is possible to use the selection of a suitable focal length f Obj of the objective 30 the adjustment range Δs can be adjusted to the desired or required range without passing through the fixed focal length adjustment range f VOE, min to f VOE, max of a variable optical element 20 to be limited.
Für eine möglichst genaue Bestimmung des Strahlparameter-Produkts oder des Strahlpropagationsfaktors ist es günstig, einen Strahl in einem Bereich von mehreren Rayleigh-Längen um seine Strahltaille herum abzutasten. Die Rayleigh-Länge ist der Abstand von der Strahltaille, bei dem der Strahldurchmesser gegenüber dem Strahltaillendurchmesser auf das √2-fache angewachsen ist. Im Abstand einer Rayleigh-Länge von der Strahltaille ist bei gaußförmigen Strahlen die Intensität des Strahls auf die Hälfte gefallen. Bei einem großen Durchmesser der Strahltaille und einem kleinen Öffnungswinkel oder Divergenz-Winkel des Strahls kann die Rayleigh-Länge sehr groß sein. Umgekehrt ist die Rayleigh-Länge bei einem kleinen Durchmesser der Strahltaille und einem großen Öffnungswinkel sehr klein. Es ist daher für eine möglichst genaue Messung der Strahlparameter wünschenswert, den Einstellbereich Δs der Vorrichtung auf die zu vermessende Strahlung anpassen zu können. Dies ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Auswahl der Brennweite des Objektivs 30 in weiten Bereichen möglich.For the most accurate determination of the beam parameter product or the beam propagation factor, it is convenient to scan a beam in a range of several Rayleigh lengths around its beam waist. The Rayleigh length is the distance from the beam waist where the beam diameter is √2 times larger than the beam waist diameter. At a distance of a Rayleigh length from the beam waist, the intensity of the beam has fallen by half for Gaussian beams. With a large diameter of the beam waist and a small aperture angle or divergence angle of the beam, the Rayleigh length can be very large. Conversely, the Rayleigh length is very small with a small diameter of the beam waist and a large aperture angle. It is therefore desirable for the most accurate possible measurement of the beam parameters to be able to adapt the setting range Δs of the device to the radiation to be measured. This is in the device according to the invention by selecting the focal length of the lens 30 possible in many areas.
In 2 ist beispielsweise die Brennweite fObj des Objektivs 30 relativ kurz gewählt, folglich ist der Fokus-Einstellbereich Δs relativ kurz. In 3 und 4 sind dagegen Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen die Brennweite fObj des Objektivs 30 deutlich länger gewählt ist. Damit ist auch der Einstellbereich Δs viel größer, obwohl der Brennweiten-Einstellbereich des variablen optischen Elements 20 genauso groß ist wie in 2.In 2 is, for example, the focal length f Obj of the lens 30 chosen relatively short, hence the focus adjustment range Δs is relatively short. In 3 and 4 On the other hand, embodiments are shown in which the focal length f Obj of the objective 30 is chosen much longer. Also, the adjustment range Δs is much larger, although the focal length adjustment range of the variable optical element 20 is just as big as in 2 ,
Es ergibt sich weiterhin, dass die Verstellung der axialen Position der Strahltaille 18 des fokussierten Lichtstrahls proportional zur Änderung der Brechkraft des variablen optischen Elements 20 ist. Das ist vorteilhaft, weil bei vielen optischen Elementen oder Linsen mit einstellbarer Brennweite nicht die Brennweite, sondern die Brechkraft proportional von einer Stellgröße wie einem elektrischen Strom oder einem Druck abhängig ist. Dadurch ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls eine proportionale Verstellung der axialen Position der Strahltaille bei Änderung der Stellgröße des variablen optischen Elements 20.It also follows that the adjustment of the axial position of the beam waist 18 of the focused light beam proportional to the change of the refractive power of the variable optical element 20 is. This is advantageous because with many optical elements or lenses with adjustable focal length not the focal length, but the refractive power is proportionally dependent on a manipulated variable such as an electric current or a pressure. This results in the device according to the invention also a proportional adjustment of the axial position of the beam waist when changing the manipulated variable of the variable optical element 20 ,
Als variables optisches Element 20 kann zum Beispiel eine Fluidlinse verwendet werden. Eine solche Linse wird beispielsweise von der Fa. Optotune AG unter der Produktbezeichnung EL-10-30 als „Fast Electrically Tunable Lens” angeboten. Bei dieser Linse drückt ein elektrisch ansteuerbarer Aktuator auf einen Container, der mit einem optischen Fluid gefüllt ist und mit einer elastischen Polymer-Membran versiegelt ist. Je nach Druck im Container ist die elastische Membran mehr oder weniger stark gekrümmt. So wird die Brennweite der Linse über den am Aktuator anliegenden elektrischen Strom gesteuert. Der Hersteller gibt einen ungefähr linearen Zusammenhang an zwischen dem elektrischen Strom und der Brechkraft der Linse.As a variable optical element 20 For example, a fluid lens may be used. Such a lens is offered for example by the company Optotune AG under the product name EL-10-30 as "Fast Electrically Tunable Lens". In this lens, an electrically controllable actuator presses on a container which is filled with an optical fluid and sealed with a resilient polymer membrane. Depending on the pressure in the container, the elastic membrane is more or less curved. Thus, the focal length of the lens is controlled by the electrical current applied to the actuator. The manufacturer gives an approximate linear relationship between the electric current and the power of the lens.
Es können auch beliebige andere Linsen mit einstellbarer Brennweite als variables optisches Element 20 eingesetzt werden. Möglich sind beispielsweise adaptive Linsen, bei denen die Brechkraft mittels Aktuatoren eingestellt werden kann; Fluidlinsen, bei denen eine Grenzfläche elektrostatisch eingestellt werden kann; oder adaptive Spiegel, bei denen die Krümmung durch eine Druckkammer oder durch Aktuatoren eingestellt werden kann. Die Aufzählung ist beispielhaft zu verstehen; die Erfindung ist nicht beschränkt auf die genannten Arten von variablen optischen Elementen.Any other adjustable focus lenses may also be used as the variable optical element 20 be used. For example, adaptive lenses are possible in which the refractive power can be set by means of actuators; Fluid lenses in which an interface can be electrostatically adjusted; or adaptive mirrors in which the curvature can be adjusted by a pressure chamber or by actuators. The list is to be understood as an example; the invention is not limited to the said types of variable optical elements.
Zur Bestimmung der Strahlparameter oder des Propagationsfaktors eines Lichtstrahls ist vorgesehen, mindestens drei verschiedene Querschnittsebenen des Lichtstrahls abzutasten. Dazu wird die Strahltaille 18 des fokussierten Lichtstrahls 17 durch Verstellung der Brennweite des variablen optischen Elements 20 an drei verschiedene axiale Positionen verschoben, so dass am ortsauflösenden Detektor 50 drei verschiedene Querschnittsebenen des Strahls 17 zu liegen kommen. Die drei eingestellten Positionen der Strahltaille 18 können die Positionen A, B, C sein, die beispielhaft in den Figuren dargestellt sind, Es können jedoch auch beliebige andere drei Positionen innerhalb des Einstellbereichs Δs der Strahltaille 18 sein, und es können auch mehr als drei Positionen gewählt werden. Um möglichst genaue Ergebnisse zu erhalten, ist es günstig, zum einen die Einstell-Positionen der Strahltaille 18 äquidistant zu wählen und zum anderen eine ungefähr gleiche Anzahl von Positionen vor und hinter dem ortsauflösenden Detektor 50 zu wählen. Bei jeder angefahrenen Position der Strahltaille 18 wird die Intensitätsverteilung des fokussierten Lichtstrahls 17 vom ortsauflösenden Detektor 50 registriert. Aus den registrierten Intensitätsverteilungen können die jeweiligen Strahlradien bzw. Strahldurchmesser bestimmt werden. Die Auftragung der Strahlradien über der axialen Position ergibt die Hüllkurve oder Kaustik des Strahls 17, und der Propagationsfaktor bzw. das Strahlparameter-Produkt kann daraus berechnet werden. To determine the beam parameters or the propagation factor of a light beam, it is provided to scan at least three different cross-sectional planes of the light beam. This will be the beam waist 18 of the focused light beam 17 by adjusting the focal length of the variable optical element 20 shifted to three different axial positions, so that at the spatially resolving detector 50 three different cross-sectional planes of the beam 17 to come to rest. The three adjusted positions of the beam waist 18 may be the positions A, B, C shown by way of example in the figures, but any other three positions may be within the adjustment range Δs of the beam waist 18 and more than three positions can be selected. In order to obtain the most accurate results, it is favorable, on the one hand, the setting positions of the beam waist 18 equidistant and on the other hand an approximately equal number of positions in front of and behind the spatially resolving detector 50 to choose. At every approached position of the beam waist 18 becomes the intensity distribution of the focused light beam 17 from the spatially resolving detector 50 registered. From the registered intensity distributions, the respective beam radii or beam diameters can be determined. Plotting the ray radii above the axial position gives the envelope or caustics of the beam 17 , and the propagation factor or the beam parameter product can be calculated therefrom.
Das Objektiv 30 kann aus einer einzelnen Linse bestehen. Zur Minimierung von Abbildungsfehlern kann die einzelne Linse beispielsweise eine Asphärische Linse sein. Eine Reduktion von Abbildungsfehlern kann auch durch Verwendung mehrerer Linsen erreicht werden. Es ist daher auch vorgesehen, dass das Objektiv 30 aus mehreren Linsen zusammengesetzt ist.The objective 30 can consist of a single lens. For example, to minimize aberrations, the single lens may be an aspherical lens. Reduction of aberrations can also be achieved by using multiple lenses. It is therefore also provided that the lens 30 composed of several lenses.
Um den Strahl in einem Bereich von mehreren Rayleigh-Längen um die Strahltaille 18 herum abtasten zu können, ist es nicht erforderlich, dass der gesamte Einstellbereich Δs im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegt. Es soll jedoch wenigstens etwa die Hälfte des Einstellbereichs Δs reell zugänglich sein, damit der ortsauflösende Detektor 50 etwa in der Nähe der mittleren Fokuslage B, 46, angeordnet werden kann. Aus der Forderung einer reellen Bildlage bei der mittleren Fokus-Position B, 46, der Strahltaille 18 kann sich eine Beschränkung bei der Wahl der Brennweite fObj des Objektivs 30 ergeben, wenn das Objektiv 30 nur aus einer einzelnen dünnen Linse besteht, bei der die objektseitige Hauptfläche typischerweise innerhalb der Linse liegt (z. B. bei einer Bikonvex-Linse). Folglich dürfte die Brennweite des Objektivs 30 in diesem Fall nicht größer gewählt werden als die Brennweite des variablen optischen Elements 20 bei der mittleren einstellbaren Brechkraft des variablen optischen Elements 20. Das folgende Zahlenbeispiel erläutert den Zusammenhang: Die Brennweite des variablen optischen Elements 20 ist beispielsweise einstellbar von fVOE,min = 50 mm bis fVOE,max = 250 mm. Dies entspricht einer Brechkraft von 20 dpt bis 4 dpt (dpt: Dioptrie, Brechkraft in l/m). Die mittlere Brechkraft beträgt in diesem Beispiel also etwa 12 dpt, entsprechend einer Brennweite von 83 mm. Wenn das Objektiv 30 mit einer einzelnen Linse dann eine Brennweite von beispielsweise 100 mm besitzt und demnach etwa 100 mm hinter dem variablen optischen Element angeordnet werden müsste, dann liegt die Bildlage bei der mittleren Fokus-Position (B) 46 der Strahltaille 18 nicht im reellen Bereich hinter dem Objektiv 30. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht ungefähr dem genannten Zahlenbeispiel. Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Beschränkung für die Brennweite des Objektivs 30 überwunden, da erfindungsgemäß nicht nur Einzellinsen als Objektiv 30 verwendet werden können, sondern auch andere Bauarten des Objektivs 30 vorgesehen sind, bei denen die Hauptflächen nicht innerhalb des Objektivs oder der Linsen des Objektivs liegen müssen.Around the beam in a range of several Rayleigh lengths around the beam waist 18 To scan around, it is not necessary that the entire adjustment range Δs in the real image space behind the lens 30 lies. However, at least approximately half of the setting range Δs should be accessible in real terms, so that the spatially resolving detector 50 approximately near the middle focus position B, 46 , can be arranged. From the requirement of a real image position at the middle focus position B, 46 , the beam waist 18 There may be a limitation in choosing the focal length f obj of the lens 30 yield if the lens 30 consists of only a single thin lens in which the object-side major surface is typically within the lens (eg, a biconvex lens). Consequently, the focal length of the lens is likely 30 in this case, not larger than the focal length of the variable optical element 20 at the average adjustable refractive power of the variable optical element 20 , The following numerical example explains the relationship: The focal length of the variable optical element 20 is adjustable, for example, from f VOE, min = 50 mm to f VOE, max = 250 mm. This corresponds to a refractive power of 20 dpt to 4 dpt (dpt: diopter, refractive power in l / m). The average refractive power in this example is about 12 dpt, corresponding to a focal length of 83 mm. If the lens 30 with a single lens then has a focal length of for example 100 mm and therefore would have to be arranged about 100 mm behind the variable optical element, then the image position is at the middle focus position (B) 46 the beam waist 18 not in the real area behind the lens 30 , This in 3 embodiment shown corresponds approximately to the mentioned numerical example. In the present invention, this limitation is for the focal length of the objective 30 overcome, since according to the invention not only single lenses as a lens 30 can be used, but also other types of the lens 30 are provided, in which the main surfaces need not lie within the lens or lenses of the lens.
Es ist auch vorgesehen, dass das Objektiv 30 eine erste Linsengruppe 35 und eine zweite Linsengruppe 36 umfasst. Beide Linsengruppen 35, 36 bilden gemeinsam das Objektiv 30. Die erste Linsengruppe 35 kann aus einer einzelnen Linse bestehen oder mehrere Linsen umfassen. Die zweite Linsengruppe 36 kann ebenfalls aus einer einzelnen Linse bestehen oder mehrere Linsen umfassen. Die erste Linsengruppe 35 kann eine negative Brennweite aufweisen, und die zweite Linsengruppe 36 kann eine positive Brennweite aufweisen, und das aus beiden Linsengruppen 35, 36 zusammengesetzte Objektiv 30 besitzt eine positive Brennweite. Auf diese Weise entsteht ein Objektiv in sogenannter Retrofokus-Bauweise. Ein Retrofokus-Objektiv besitzt eine Bildschnittweite, die größer ist als die Brennweite des Objektivs. Die bildseitige Hauptfläche H' ist demnach nach hinten in den Bildraum verschoben. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist jedoch die Lage der objektseitigen Hauptfläche H wesentlich. Die Lage der objektseitigen Hauptfläche ist bei einem Retrofokus-Objektiv ebenfalls nach hinten verschoben. 9 zeigt die Lage der Hauptflächen bei einem Objektiv 30 in Retrofokus-Bauweise mit einer ersten Linsengruppe 35 und einer zweiten Linsengruppe 36. Die 6, 7, und 8 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit einem als Retrofokus-Objektiv ausgebildeten Objektiv 30. Die Retrofokus-Bauweise des Objektivs 30 kann in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft sein. Zum einen kann damit die Lage des Einstellbereichs Δs nach hinten verschoben werden. Weiterhin wird dadurch der Abstand der Objektivs 30 zum variablen optischen Element 20 erheblich verkürzt, wodurch die Baugröße der Vorrichtung reduziert wird. Schließlich kann trotz geringer Baugröße eine sehr große Brennweite des Objektivs 30 realisiert werden, um einen großen Einstellbereich Δs zu erzielen.It is also intended that the lens 30 a first lens group 35 and a second lens group 36 includes. Both lens groups 35 . 36 together form the lens 30 , The first lens group 35 may consist of a single lens or comprise multiple lenses. The second lens group 36 may also consist of a single lens or comprise multiple lenses. The first lens group 35 may have a negative focal length, and the second lens group 36 can have a positive focal length, and that of both lens groups 35 . 36 compound lens 30 has a positive focal length. This creates a lens in so-called retrofocus construction. A retrofocus lens has an image section that is larger than the focal length of the lens. The image-side main surface H 'is therefore shifted backwards into the image space. For the device according to the invention, however, the position of the object-side main surface H is essential. The position of the object-side main surface is also shifted to the rear with a retrofocus lens. 9 shows the location of the main surfaces with a lens 30 in retro-focus construction with a first lens group 35 and a second lens group 36 , The 6 . 7 , and 8th show embodiments of the invention with an object designed as a retro-focus lens 30 , The retro-focus construction of the lens 30 can be beneficial in several ways. On the one hand, this allows the position of the adjustment range Δs to be shifted to the rear. Furthermore, this is the distance of the lens 30 to the variable optical element 20 considerably shortened, whereby the size of the device is reduced. Finally, despite the small size of a very large focal length of the lens 30 be realized in order to achieve a large adjustment range Δs.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen und Fortbildungen der Erfindung dargestellt.In the following, further embodiments and developments of the invention are shown.
Bei der Vermessung eines Laserstrahls mit hoher Brillanz, also mit einem kleinen Strahlparameter-Produkt bzw. Modenfaktor, kann es beispielsweise gewünscht sein, für das Objektiv 30 eine sehr große Brennweite zu wählen, um die Strahltaille 18 des fokussierten Strahls 17 möglichst groß abzubilden und eine hohe laterale Auflösung zu erzielen. Dabei kann die Situation auftreten, dass ein Teil des Fokus-Einstellbereichs Δs oder sogar der ganze Fokus-Einstellbereich nicht im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegt und somit nicht für die Vermessung mit dem ortsauflösenden Detektor zur Verfügung steht. Eine Situation, bei der nur ein Teil des Einstellbereichs im reellen Bildraum liegt, zeigt beispielhaft die 3. Um auch in solchen Situationen die Strahl-Kaustik vollständig abtasten zu können, werden weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgeschlagen.When measuring a laser beam with high brilliance, ie with a small beam parameter product or mode factor, it may be desirable, for example, for the lens 30 to choose a very large focal length, around the beam waist 18 of the focused beam 17 as large as possible and to achieve a high lateral resolution. In this case, the situation may occur that part of the focus adjustment range Δs or even the entire focus adjustment range is not in the real image space behind the lens 30 and thus is not available for the survey with the spatially resolving detector. A situation in which only part of the adjustment range lies in the real image space is shown by way of example 3 , In order to be able to completely scan the beam caustic in such situations, further embodiments of the invention are proposed.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element 20 eine Linse (LD) 60 zur Divergenz-Anpassung anzuordnen. Mit dieser Linse 60 wird ein Brechkraft-Offset erzeugt und dadurch der gesamte Fokus-Einstellbereich Δs um einen gewissen Betrag axial verschoben. Hat die Linse 60 zur Divergenz-Anpassung eine negative Brechkraft, dann wird der Fokus-Einstellbereich Δs in Strahlrichtung nach hinten verschoben. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt.In a second embodiment of the invention is provided, in the beam direction in front of the variable optical element 20 a lens (LD) 60 to arrange for divergence adjustment. With this lens 60 a refractive power offset is generated and thereby the entire focus adjustment range Δs is axially displaced by a certain amount. Has the lens 60 for divergence adjustment, a negative power, then the focus adjustment range .DELTA.s is shifted in the beam direction to the rear. A corresponding embodiment is in 5 shown.
Die Brechkraft der Linse (LD) 60 zur Divergenz-Anpassung kann auch positiv sein. Dadurch wird der Einstellbereich Δs der Strahltaille 18 nach vorne, näher zum Objektiv 30 hin verschoben. Dies kann vorteilhaft sein bei der Vermessung von Lichtstrahlen 10, die eine relativ hohe Divergenz und eine Strahltaille 11 nahe der Messvorrichtung aufweisen. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer positiven Linse 60 zur Divergenz-Anpassung.The refractive power of the lens (LD) 60 to divergence adjustment can also be positive. Thereby, the adjustment range Δs of the beam waist becomes 18 forward, closer to the lens 30 postponed. This can be advantageous in the measurement of light rays 10 that have a relatively high divergence and a beam waist 11 have near the measuring device. 7 shows an embodiment with a positive lens 60 for divergence adjustment.
Die Linse (LD) 60 zur Divergenz-Anpassung kann auch eine variable Linse sein, deren Brennweite oder Brechkraft variiert werden kann. Damit kann eine Vorrichtung geschaffen werden, die flexibel auf viele geometrische Konfigurationen des zu vermessenden Strahls 10 eingestellt werden kann. Dadurch ist die Vermessung von konvergenten, divergenten und kollimierten Strahlen 10 und Strahlen mit unterschiedlichen Lagen der Strahltaille 11 möglich, ohne einen Umbau der Vorrichtung vornehmen zu müssen. Es wird lediglich die Brennweite der Linse 60 zur Divergenz-Anpassung passend auf den jeweiligen Strahl 10 eingestellt, z. B. derart, dass der Strahl 10 nach der Linse 60 zur Divergenz-Anpassung kollimiert ist. Während der Vermessung des Strahls 10 ist die Brennweite oder Brechkraft der variablen Linse 60 zur Divergenz-Anpassung konstant; zur Variation der Position der Strahltaille 18 während der Strahlvermessung wird die Brennweite bzw. Brechkraft des variablen optischen Elements 20 verändert.The lens (LD) 60 for divergence adjustment may also be a variable lens whose focal length or refractive power can be varied. Thus, a device can be created that is flexible to many geometric configurations of the beam to be measured 10 can be adjusted. This is the measurement of convergent, divergent and collimated rays 10 and rays with different layers of the beam waist 11 possible without having to make a conversion of the device. It only becomes the focal length of the lens 60 for divergence adjustment suitable for the respective beam 10 set, z. B. such that the beam 10 after the lens 60 is collimated to divergence adjustment. During the measurement of the beam 10 is the focal length or refractive power of the variable lens 60 constant for divergence adjustment; for varying the position of the beam waist 18 during the beam measurement, the focal length or refractive power of the variable optical element 20 changed.
Bei einer dritten Ausführungsform umfasst die Erfindung weiterhin eine Einrichtung zur Strahlabschwächung. Die Einrichtung zur Strahlabschwächung kann beispielsweise ein Filterglas oder ein Neutraldichteglas, auch Grauglas genannt, umfassen. Die Einrichtung zur Abschwächung kann auch aus einem Paar Polarisationsfilter mit zueinander einstellbarem Winkel bestehen. Die Einrichtung zur Abschwächung kann auch einen oder mehrere Strahlteiler 70 umfassen, welche den Strahl in einen reflektierten und einen transmittierten Strahl aufteilen, die jeweils geringe Intensitäten aufweisen als der ursprüngliche Strahl. Der Strahlteiler 70 kann durch eine Grenzfläche eines optischen Bauelements wie einer Planplatte, einer Keilplatte oder eines Prismas gebildet werden. Die Grenzfläche des optischen Bauelements kann unbeschichtet oder beschichtet sein, zum Beispiel mit einer dielektrischen Vergütung versehen sein. 8 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Strahlabschwächung, die aus zwei Strahlteilern 70 besteht, die vor dem variablen optischen Element 20 angeordnet sind. Jeder Strahlteiler 70 reflektiert einen kleinen Anteil des Lichtstrahls 10, so dass nach zweimaliger Reflexion der Lichtstrahl 10 eine wesentlich reduzierte Intensität aufweist. Die von den Strahlteilern transmittierten Strahlanteile mit dem Hauptanteil der Strahlleistung werden von Strahlfallen oder Absorber 74 aufgefangen. Die beiden Strahlteiler 70 können räumlich so angeordnet sein, dass die Reflexions-Ebenen um 90° zueinander verdreht sind. Damit kann eine sehr präzise polarisationsunabhängige Abschwächung erzielt werden, die auch für hohe Strahl-Intensitäten bzw. hohe Strahlleistungen geeignet ist. Die Erfindung ist somit auch für die Vermessung von Laserstrahlen großer Leistung verwendbar.In a third embodiment, the invention further comprises a device for beam attenuation. The device for beam attenuation may comprise, for example, a filter glass or a neutral density glass, also called gray glass. The device for attenuation may also consist of a pair of polarizing filters with mutually adjustable angle. The device for attenuation may also include one or more beam splitters 70 comprise, which divide the beam into a reflected and a transmitted beam, each having low intensities than the original beam. The beam splitter 70 may be formed by an interface of an optical device such as a plane plate, a wedge plate or a prism. The interface of the optical device may be uncoated or coated, for example provided with a dielectric coating. 8th shows by way of example the device according to the invention with a device for beam attenuation, which consists of two beam splitters 70 exists in front of the variable optical element 20 are arranged. Each beam splitter 70 reflects a small portion of the light beam 10 , so that after twice reflection of the light beam 10 has a significantly reduced intensity. The beam components transmitted by the beam splitters with the majority of the beam power are from beam traps or absorbers 74 collected. The two beam splitters 70 can be arranged spatially so that the reflection planes are rotated by 90 ° to each other. Thus, a very precise polarization-independent attenuation can be achieved, which is also suitable for high beam intensities and high beam powers. The invention is thus also applicable to the measurement of high power laser beams.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr können die Merkmale einzelner Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise liegt auch eine Vorrichtung, die sowohl eine Linse (LD) zur Divergenz-Anpassung als auch eine Einrichtung zur Strahlabschwächung umfasst, im Bereich der vorliegenden Erfindung.The invention is not limited to the illustrated and described embodiments. Rather, the features of individual embodiments can also be combined. For example, a device including both a divergence adjustment lens (LD) and a beam attenuation means is within the scope of the present invention.
Die Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, die im Folgenden zusammengefasst aufgeführt werden:
- • Die Vorrichtung erlaubt die schnelle und präzise Verstellung der axialen Position der bildseitigen Strahltaille 18 eines zu vermessenden Lichtstrahls 10 relativ zu einem ortsauflösenden Detektor 50, ohne dass Elemente der Vorrichtung axial beweglich gelagert werden müssen.
- • Die Brennweite des optischen Gesamt-Systems bestehend aus dem variablen optischen Element 20 und dem Objektiv 30 ist konstant und unabhängig von der Brennweite des variablen optischen Elements 20.
- • Aufgrund der konstanten Brennweite bzw. der gleichbleibenden Abbildungseigenschaften des Gesamt-Systems aus variablem optischen Element 20 und Objektiv 30 kann die Auswertung zur Bestimmung von Propagationsfaktoren oder Strahlparameter-Produkten nach den Formeln der ISO 11146 erfolgen.
- • Mittels einer Bauweise des Objektivs 30 bestehend aus zwei Linsengruppen 35, 36 kann eine kompakte Bauweise bei langer Brennweite des Gesamt-Systems und damit ein großer axialer Fokus-Einstellbereich Δs erzielt werden.
- • Die für die korrekte Bestimmung der Strahlparameter und für die Umrechnung der Parameter auf die objektseitigen Strahlparameter erforderliche Kalibration der Vorrichtung ist einfacher und weniger fehleranfällig als bei Vorrichtungen mit variierender Gesamt-Brennweite.
- • Das Strahlparameter-Produkt, welches aus den in verschiedenen Querschnittsebenen gemessenen Strahldurchmessern bestimmt wird, ist unabhängig von der exakten axialen Positionierung des ortsauflösenden Detektors 50, womit die Zahl potentieller systematischer Fehlerquellen reduziert ist.
- • Die Brennweite des optischen Gesamt-Systems kann unabhängig von den Beschränkungen des variablen optischen Elements 20 gewählt werden, um die Vergrößerung bzw. den Durchmesser der bildseitigen Strahltaille 18 an die Gegebenheiten der zu vermessenden Lichtstrahlen 10 oder Laserstrahlen anzupassen.
- • Die Brennweite des Objektivs 30 kann geeignet gewählt werden, um unabhängig vom vorgegebenen Brennweiten-Variationsbereich des variablen optischen Elements 20 einen ausreichend großen oder kleinen Einstellbereich Δs für die axiale Position der bildseitigen Strahltaille 18 zu realisieren.
- • Die Änderung der axialen Position der bildseitigen Strahltaille 18 ist proportional zur Brechkraft-Änderung des variablen optischen Elements 20 und ist damit ungefähr linear abhängig von der Stellgröße bei den meisten variablen optischen Elementen 20.
The invention offers numerous advantages over the prior art, which are summarized below: - • The device allows the rapid and precise adjustment of the axial position of the image-side beam waist 18 a light beam to be measured 10 relative to a spatially resolving detector 50 , Without elements of the device must be stored axially movable.
- • The focal length of the overall optical system consisting of the variable optical element 20 and the lens 30 is constant and independent of the focal length of the variable optical element 20 ,
- • Due to the constant focal length or the constant imaging properties of the overall system of variable optical element 20 and lens 30 the evaluation for the determination of propagation factors or jet parameter products can be carried out according to the formulas of ISO 11146.
- • By means of a construction of the lens 30 consisting of two lens groups 35 . 36 a compact design with long focal length of the overall system and thus a large axial focus adjustment range Δs can be achieved.
- The calibration of the device required for the correct determination of the beam parameters and for the conversion of the parameters to the object-side beam parameters is simpler and less error prone than with devices with varying total focal length.
- • The beam parameter product, which is determined from the beam diameters measured in different cross-sectional planes, is independent of the exact axial positioning of the spatially resolving detector 50 , which reduces the number of potential sources of systematic error.
- • The focal length of the overall optical system can be independent of the limitations of the variable optical element 20 be selected to the magnification or the diameter of the image-side beam waist 18 to the conditions of the light rays to be measured 10 or to adapt laser beams.
- • The focal length of the lens 30 may be suitably selected to be independent of the predetermined focal length variation range of the variable optical element 20 a sufficiently large or small adjustment range Δs for the axial position of the image-side beam waist 18 to realize.
- • The change of the axial position of the image-side beam waist 18 is proportional to the refractive power change of the variable optical element 20 and is thus approximately linearly dependent on the manipulated variable in most variable optical elements 20 ,
Das Ermitteln eines geometrischen Parameters des Lichtstrahls aus den registrierten Intensitätsverteilungen kann auch die Bestimmung der axialen Position einer Strahltaille oder Fokuslage 18 des fokussierten Lichtstrahls 17 umfassen. Aus der Position der bildseitigen Fokuslage 18 kann über die Abbildungsgleichung des Gesamt-Systems die axiale Position der Strahltaille 11 des ursprünglichen zu vermessenden Strahls bestimmt werden. Die Erfindung ist daher auch vorgesehen zur Kontrolle oder Überwachung einer Fokuslage eines Lichtstrahls oder Laserstrahls. Die Überwachung einer Fokuslage kann vorteilhaft sein beispielsweise bei einer Laserbearbeitungsanlage, um Änderungen der Soll-Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls zu diagnostizieren. Solche Änderungen können beispielsweise durch thermische Effekte hervorgerufen werden. Änderungen der Soll-Fokuslage können auch durch den Laserstrahl selbst verursacht sein infolge von Absorption der Strahlung durch die Bearbeitungsoptik.The determination of a geometric parameter of the light beam from the registered intensity distributions can also be the determination of the axial position of a beam waist or focus position 18 of the focused light beam 17 include. From the position of the image-side focus position 18 can use the mapping equation of the overall system to determine the axial position of the beam waist 11 of the original beam to be measured. The invention is therefore also intended to control or monitor a focus position of a light beam or laser beam. The monitoring of a focus position may be advantageous, for example, in a laser processing system to diagnose changes in the desired focus position of a processing laser beam. Such changes can be caused for example by thermal effects. Changes in the target focus position may also be caused by the laser beam itself due to absorption of the radiation by the processing optics.
Die Erfindung kann verwendet werden beispielsweise zur Vermessung von Laserstrahlen. Es können Laserstrahlen vermessen werden, die von Strahlquellen emittiert werden. Es können auch Laserstrahlen vermessen werden, die von einem Strahlführungssystem wie zum Beispiel einer Lichtleitfaser emittiert werden, oder die von einer Laserbearbeitungsoptik abgebildet oder fokussiert sind, oder die von einer Strahlformungsoptik zur Ausformung einer gewünschten Strahlgeometrie abgebildet sind.The invention can be used for example for measuring laser beams. It can be measured laser beams emitted by beam sources. It is also possible to measure laser beams which are emitted by a beam guidance system, such as an optical fiber, or which are imaged or focused by laser processing optics, or which are imaged by beam shaping optics for shaping a desired beam geometry.
Die Erfindung kann auch verwendet werden zur online-Strahldiagnose, beispielsweise an einer Laserbearbeitungsoptik, die mittels Strahlteiler einen Bruchteil des Laserstrahls auskoppelt und an einem Diagnose-Strahlausgang zur Verfügung stellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann am Diagnose-Strahlausgang der Laserbearbeitungsoptik ankoppelbar sein. Die Erfindung kann auch als fester Bestandteil in die Laserbearbeitungsoptik integriert sein. Die Laserbearbeitungsoptik kann beispielsweise eine Scanner-Optik sein.The invention can also be used for on-line beam diagnosis, for example on a laser processing optical system which decouples a fraction of the laser beam by means of a beam splitter and makes it available at a diagnostic beam output. The device according to the invention can be coupled to the diagnostic beam output of the laser processing optics. The invention can also be integrated as a fixed component in the laser processing optics. The laser processing optics may be, for example, a scanner optics.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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1010
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Zu vermessender LichtstrahlTo be measured light beam
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1111
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Strahltaille des zu vermessenden LichtstrahlsBeam waist of the light beam to be measured
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1515
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Optische AchseOptical axis
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1717
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Fokussierter LichtstrahlFocused light beam
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1818
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Strahltaille bzw. Fokuslage des fokussierten LichtstrahlsBeam waist or focal position of the focused light beam
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2020
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Variables optisches Element mit einstellbarer BrennweiteVariable optical element with adjustable focal length
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2222
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Bildseitige Hauptfläche des variablen optischen ElementsImage-side main surface of the variable optical element
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2525
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Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei größter BrechkraftImage-side focal point of the variable optical element at maximum power
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2626
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Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei mittlerer BrechkraftImage-side focal point of the variable optical element at average power
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2727
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Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei kleinster BrechkraftImage-side focal point of the variable optical element with the smallest refractive power
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3030
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Objektivlens
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3131
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Objektseitige Hauptfläche des ObjektivsObject-side main surface of the lens
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3232
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Bildseitige Hauptfläche des ObjektivsImage-side main surface of the lens
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3333
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Objektseitiger Brennpunkt des ObjektivsObject-side focal point of the lens
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3434
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Bildseitiger Brennpunkt des ObjektivsImage-side focal point of the lens
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3535
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Erste Linsengruppe des ObjektivsFirst lens group of the lens
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3636
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Zweite Linsengruppe des ObjektivsSecond lens group of the lens
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4545
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Vordere Endlage A des Fokus-EinstellbereichsFront end position A of the focus adjustment range
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4646
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Mittlere Position B des Fokus-EinstellbereichsMiddle position B of the focus adjustment range
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4747
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Hintere Endlage C des Fokus-EinstellbereichsRear end position C of the focus adjustment range
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5050
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Ortsauflösender DetektorSpatial detector
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6060
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Linse zur Divergenz-AnpassungLens for divergence adjustment
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7070
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Strahlteilerbeamsplitter
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7474
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Strahlfalle (Absorber)Jet trap (absorber)
