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Title:
MEASURING DEVICE AND METHODS FOR THE CHARACTERIZATION OF A RADIATION FIELD, MORE PARTICULARLY OF LASER RADIATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/054444
Kind Code:
A1
Abstract:
A radiation field measuring device (100) for the characterization of a radiation field (1) that passes through a medium (2) in a longitudinal direction (z) comprises a detector device (10) having at least one detector camera (11), which contains at least one detector array (12) for the image recording of stray radiation (3) that is generated in the medium by the radiation field (1) and is directed in a multiplicity of lateral directions that deviate from the longitudinal direction (z), and a reconstruction device (20) for the characterization of the radiation field (1), on the basis of image signals of the detector device (10), wherein the reconstruction device (20) is configured for the tomographic reconstruction of a field density of the stray radiation (3) in the radiation field (1). Uses of the radiation field measuring device and methods for the characterization of a radiation field (1) that passes through a medium (2) in a longitudinal direction (z) using the radiation field measuring device (100) are also described.

Inventors:
KILLICH FRANK (DE)
ENGELAND UWE (DE)
Application Number:
PCT/EP2016/001607
Publication Date:
March 29, 2018
Filing Date:
September 26, 2016
Export Citation:
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Assignee:
RAYVIS GMBH (DE)
International Classes:
G01J1/02; G01J1/42; G01J1/04
Domestic Patent References:
WO2011119721A22011-09-29
Foreign References:
US8559690B22013-10-15
DE10149823A12003-04-10
US8988673B22015-03-24
US8559690B22013-10-15
Other References:
JEFFREY L GUTTMAN ET AL: "IMAGE OF LASER FROM RAYLEIGH SCATTERING DIRECTLY CORRELATED TO BEAM WAIST MEASUREMENTS OF HIGH-POWER LASERS", 22 October 2015 (2015-10-22), XP055382398, Retrieved from the Internet [retrieved on 20170616]
SIMMONS JED A ET AL: "Development of a non-contact diagnostic tool for high power lasers", SPIE - INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING. PROCEEDINGS, S P I E - INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING, US, vol. 9741, 18 March 2016 (2016-03-18), pages 97410N - 97410N, XP060064849, ISSN: 0277-786X, ISBN: 978-1-5106-0753-8, DOI: 10.1117/12.2213605
JEFFREY L GUTTMAN: "Noninterceptive Beam Profiling of High-Power Industrial Lasers", LASER TECHNIK JOURNAL, 1 November 2015 (2015-11-01), pages 20 - 23, XP055383558, Retrieved from the Internet DOI: 10.1002/latj.201500035
Attorney, Agent or Firm:
HERTZ, Oliver (DE)
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Claims:
Ansprüche 1. Strahlungsfeld-Messeinrichtung (100), die zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes (1) konfiguriert ist, das ein Medium (2) in einer Longitudinalrichtung (z) durchläuft, umfassend :

- eine Detektoreinrichtung (10) mit mindestens einer Detek- torkamera (11), die mindestens ein Detektorarray (12) enthält, das zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) angeordnet ist, die im Medium durch das Strahlungsfeld (1) erzeugt wird und in eine Vielzahl von Seitenrichtungen gerichtet ist, die von der Longitudinalrichtung (z) abweichen, und

- eine Rekonstruktionseinrichtung (20) , die zur Charakterisierung des Strahlungsfeldes (1), basierend auf Bildsignalen der Detektoreinrichtung (10) , eingerichtet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Re- konstruktion einer Felddichte der Streustrahlung (3) im

Strahlungsfeld (1) eingerichtet ist.

2. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur nicht-analytischen, insbesondere statistischen oder algebraischen, tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) eingerichtet ist. 3. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) mittels eines iterativen Algorithmus eingerichtet ist.

4. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur statistischen tomo- graphischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung

(3) eingerichtet ist, wobei

- die statistische tomographische Rekonstruktion auf einem statistischen Modell mit einem zu minimierenden Zielfunktional basiert, dessen tomographischer Daten-Mismatch-Term die Rauschcharakteristik der Messdaten berücksichtigt.

5. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 4, bei der

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur statistischen tomo- graphischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung

(3) basierend auf dem zu minimierenden Zielfunktional eingerichtet ist, das einen Lp-Norm-Term mit (0 ^ p < 2) und/oder einen Bayes-artigen Regularisierungsterm enthält. 6. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

- das mindestens eine Detektorarray (12) zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart angeordnet ist, dass die Seitenwinkel solcherart verteilt sind, dass die senkrecht zur Longitu- dinalrichtung (z) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) einen Messbereich von 180° bis 360° aufspannen .

7. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 6, bei der

- das mindestens eine Detektorarray (12) zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart angeordnet ist, dass die senkrecht zur Longitudinalrichtung (z) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) bei einer geraden Anzahl von Seitenrichtungen und einem Messbereich über 360° ungleichmäßig verteilt, ansonsten gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

8. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) zur Bildaufnahme von

Streustrahlung (3) in mindestens 2 Seitenrichtungen, insbe¬ sondere mindestens 3 Seitenrichtungen, konfiguriert ist. 9. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) zur Bildaufnahme von

Streustrahlung (3) in Radialrichtungen angeordnet ist. 10. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) für eine spektral selektive Bildaufnahme der Streustrahlung (3) konfiguriert ist. 11. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Rekonstruktion eines Schicht-Ausschnitts der Felddichte der Streustrahlung (3) eingerichtet ist, der in eine zweidimensi- onale Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes (1) überführbar ist.

12. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 11, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) Linien-Detektorarrays (12) um- fasst .

13. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Re¬ konstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) in einem dreidimensionalen Volumen-Ausschnitt, der mindestens zwei, aneinander gereihte Schicht-Ausschnitte umfasst, eingerichtet ist .

14. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 13, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) Flächen-Detektorarrays (12) umfasst .

15. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) mehrere Detektorkameras (11) jeweils mit mindestens einem Detektorarray (12) umfasst.

16. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprü- che 1 bis 14, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) eine einzige Detektorkamera (11) umfasst, die eine Vielzahl von Detektorarrays (12) enthält, die jeweils zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) in einer der Seitenrichtungen angeordnet sind.

17. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, bei der

- eine Ablenkeinrichtung (30) vorgesehen ist, die zur Ablenkung der Streustrahlung (3) entlang der Vielzahl von Seiten- richtungen auf die mindestens eine Detektorkamera (11) angeordnet ist.

18. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 17, bei der

- die Ablenkeinrichtung (30) mindestens ein katoptrisches Element (31, 32, 33) und/oder mindestens ein dioptrisches Element (35) umfasst.

19. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 18, bei der

- das mindestens eine katoptrische Element mehrere Reflektor- abschnitte (31, 33) umfasst, die jeweils zur Ablenkung der

Streustrahlung (3) entlang einer der Seitenrichtungen hin zu einem der Detektorarrays (12) angeordnet sind.

20. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 19, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) eine einzige Detektorkamera (11) umfasst, und

- das mindestens eine katoptrische Element einen Sammelreflektor (32) umfasst, der zur Ablenkung der Streustrahlung (3) von den Reflektorabschnitten (31, 33) zu der Detektorkamera (11) angeordnet ist.

21. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 19 oder 20, bei der

- die Reflektorabschnitte einzelne Spiegel (31) oder einen

Axicon-Reflektor (33) umfassen, der axialsymmetrisch zur Lon- gitudinalrichtung (z) angeordnet ist.

22. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, umfassend

- eine Strahldreheinrichtung (40) mit einem drehbaren Prisma, insbesondere Dove-Prisma (41), und/oder Spiegel, die zur Drehung des Strahlungsfeldes (1) um die Longitudinalrichtung (z) eingerichtet ist, wobei - die Detektoreinrichtung (10) eine einzige Detektorkamera (11) umfasst, die zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) angeordnet ist, und

- zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) in der Vielzahl von Seitenrichtungen das Strahlungsfeld (1) mit der Strahldre¬ heinrichtung in verschiedene Drehpositionen relativ zur Detektorkamera (11) drehbar ist.

23. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei der

- eine Analysatoreinrichtung (21) vorgesehen ist, die zur Ermittlung von mindestens einem Strahlparameter des Strahlungsfeldes (1), basierend auf der Felddichte der Streustrahlung (3), eingerichtet ist.

24. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 23, bei der

- die Analysatoreinrichtung (21) zur Ermittlung von mindestens einem der Strahlparameter eingerichtet ist, die umfassen

Pulsenergie oder Pulsenergiedichte des Strahlungsfeldes (1) bei einem gepulsten Strahlungsfeld (1),

Felddichte des Strahlungsfeldes (1) bei einem kontinuierlichen Strahlungsfeld (1),

geometrische Eigenschaften des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und/oder Strahlform,

Eigenschaften der Strahltaille des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Radius, Position entlang der Longitudinal- richtung (z), und/oder Form des Fokus in transaxialer

Schnittführung,

räumliche Lage des Strahlungsfeldes (1) im Medium (2), Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes (1),

Wellenfronten des Strahlungsfeldes (1) ,

Rayleigh-Längen des Strahlungsfeldes (1) , und Beugungsmaßzahlen, M2 und Strahlpropagationsfaktoren k des Strahlungsfeldes (1).

25. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 23 oder 24, bei der

- die Analysatoreinrichtung (21) für eine zeitlich fortlaufende Ermittlung des mindestens einen Strahlparameters und seiner zeitlichen Stabilität eingerichtet ist. 26. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 24 oder 25, bei der

- die Analysatoreinrichtung (21) zur Berechnung einer Strahl- propagation, insbesondere mittels einer Wellenfrontanalyse , eingerichtet ist.

27. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 26, bei der

- die Analysatoreinrichtung (21) zur Berechnung einer Fokusposition des Strahlungsfeldes (1) eingerichtet ist.

28. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

- eine Partikelentfernungseinrichtung (50) vorgesehen ist, die zur Bereitstellung des Mediums (2) in der Strahlungsfeld- Messeinrichtung (100) in einem partikelfreien Zustand eingerichtet ist.

29. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 28, bei der

- die Partikelentfernungseinrichtung (50) mindestens eines von einem elektrostatischen Filter, einem mechanischem Filter und einer Spülgasque.lle umfasst.

30. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der

- die Detektoreinrichtung (10) für eine Bildaufnahme der Streustrahlung (3) mit einer Wellenlänge im Röntgen-, UV-, VIS-, NIR-, IR- oder Mikrowellen-Bereich eingerichtet ist.

31. Verwendung der Strahlungsfeld-Messeinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche

- bei der Überwachung und/oder Steuerung strahlungsbasierter Prozesse, insbesondere bei der Steuerung eines Fokus des

Strahlungsfeldes (1), Erfassung einer zeitlichen Drift eines Intensitätsprofils des Strahlungsfeldes (1), Charakterisierung des Strahlungsfeldes von Hochenergielasern, lasergestützten Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken, Fertigung in der Halbleitertechnik, oder Therapie und/oder Chirurgie mittels Laser-Strahlung.

32. Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes (1), das ein Medium (2) in einer Longitudinalrichtung (z) durchläuft, unter Verwendung einer Strahlungsfeld- Messeinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, umfassend die Schritte:

- Bildaufnahme von Streustrahlung (3), die im Medium (2) durch das Strahlungsfeld (1) erzeugt wird und in eine Viel- zahl von Seitenrichtungen gerichtet ist, die von der Longitudinalrichtung (z) abweichen, mittels der Detektoreinrichtung (10), und

- Charakterisierung des Strahlungsfeldes (1) mit der Rekonstruktionseinrichtung (20) unter Verwendung von Bildsignalen der Detektoreinrichtung (10), wobei

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) eine tomographische Rekonstruktion einer Felddichte der Streustrahlung (3) im

Strahlungsfeld (1) ausführt.

33. Verfahren gemäß Anspruch 32, bei dem

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) eine nicht-analytische, insbesondere statistische oder algebraische, tomographische Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) aus- führt.

34. Verfahren gemäß Anspruch 33, bei dem

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) die tomographische Re¬ konstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) mittels eines iterativen Algorithmus ausführt.

35. Verfahren gemäß Anspruch 33 oder 34, bei dem

- die Rekonstruktionseinrichtung (20) eine statistische tomographische Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) ausführt, wobei

- die statistische tomographische Rekonstruktion auf einem statistischen Modell mit einem zu minimierenden Zielfunktional basiert, dessen tomographischer Daten-Mismatch-Term die Rauschcharakteristik der Messdaten berücksichtigt.

36. Verfahren gemäß Anspruch 35, bei dem

- das Zielfunktional einen Lp-Norm-Term mit (0 ^ p < 2) und/oder einen Bayes-artigen Regularisierungsterm enthält. 37. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 36, bei dem

- die Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart erfolgt, dass die Seitenwinkel solcherart verteilt sind, dass die senkrecht zur Longitudinalrichtung ( z ) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) einen Messbereich von 180° bis 360° aufspannen.

38. Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem

- die Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart erfolgt, dass die senkrecht zur Longitudinalrichtung (z) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) bei einer geraden Anzahl von Seitenrichtungen und einem Messbereich über 360° ungleichmäßig verteilt, ansonsten gleichmäßig ver¬ teilt angeordnet sind.

39. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 38, bei dem die Bildaufnahme von Streustrahlung (3) in mindestens 2

Seitenrichtungen, insbesondere mindestens 3 Seitenrichtungen erfolgt, und/oder

- die Bildaufnahme spektral selektiv erfolgt.

40. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 39, bei dem

- die Felddichte der Streustrahlung (3) unter Berücksichtigung eines Beleuchtungshintergrundes des Strahlungsfeldes (1) im Vorwärts- und Rückwärtsproj ektionsprozess der tomographischen Rekonstruktion rekonstruiert wird.

41. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 40, mit den Schritten

- tomographische Rekonstruktion eines Schicht-Ausschnitts der Felddichte der Streustrahlung (3), und

- Überführung der Felddichte der Streustrahlung (3) in eine zweidimensionale Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes (1) ·

42. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 40, mit dem Schritt

- tomographische Rekonstruktion einer Felddichte der

Streustrahlung (3) in einem dreidimensionalen Volumen- Ausschnitt, der mindestens zwei aneinander gereihte Schicht- Ausschnitte umfasst.

43. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 42, mit dem Schritt

- Ablenkung der Streustrahlung (3) entlang der Vielzahl von Seitenrichtungen mit der Ablenkeinrichtung (30) auf die min- destens eine Detektorkamera (11).

44. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 43, mit den Schritten

- Drehung des Strahlungsfeldes (1) um die Longitudinalrich- tung (z) mit der Strahldreheinrichtung, und

- Bildaufnahme der Streustrahlung (3) mit einer einzigen Detektorkamera (11), wobei

- zur Bildaufnahme der Streustrahlung (3) in der Vielzahl von Seitenrichtungen des Strahlungsfeldes (1) mit der Strahldreh- einrichtung in verschiedene Drehpositionen relativ zur Detektorkamera (11) gedreht wird.

45. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 44, mit dem Schritt

- Erfassung einer Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes (1), basierend auf der rekonstruierten Felddichte der

Streustrahlung (3) .

46. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 45, mit dem Schritt Erfassung von mindestens einem der Strahlparameter, die umfassen

Pulsenergie oder Pulsenergiedichte des Strahlungsfeldes (1) bei gepulstem Strahlungsfeld (1) ,

Felddichte des Strahlungsfeldes (1) bei kontinuierli- chem Strahlungsfeld (1),

geometrische Eigenschaften des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und/oder Strahlform, Eigenschaften der Strahltaille des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Radius, Position entlang der Longitudinal- richtung (z), und/oder Form des Fokus in transaxialer

Schnittführung,

räumliche Lage des Strahlungsfeldes (1) im Medium (2),

Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes (1),

Wellenfronten des Strahlungsfeldes (1),

Rayleigh-Längen des Strahlungsfeldes (1), und

Beugungsmaßzahlen, M2 und Strahlpropagationsfaktoren k des Strahlungsfeldes (1).

47. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 45 bis 46, bei dem

- eine zeitlich fortlaufende Erfassung des mindestens einen Strahlparameters und seiner zeitlichen Stabilität vorgesehen sind.

48. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 45 bis 47, mit dem Schritt

- Berechnung einer Strahlpropagation, insbesondere mittels einer Wellenfrontanalyse .

49. Verfahren gemäß Anspruch 48, mit dem Schritt

- Berechnung einer Fokusposition des Strahlungsfeldes (1). 50. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 49, bei dem

- die Felddichte der Streustrahlung (3) unter Berücksichtigung von Partikeln im Medium rekonstruiert wird, welche ohne diese Berücksichtigung zu Artefakten der rekonstruierten Felddichte führen würden.

51. Verfahren gemäß Anspruch 50, bei dem

- eine Serien-Bildaufnahme vorgesehen ist, die mehrere Bildaufnahmen in Folge umfasst, und - Artefakt-trächtige Streuereignisse, die von Partikeln im Medium herrühren, durch eine Analyse der Serien-Bildaufnahme eliminiert werden. 52. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 51, mit dem Schritt

- Bereitstellung des Mediums (2) in der Strahlungsfeld- Messeinrichtung in einem partikelfreien Zustand. 53. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 52, mit dem Schritt

- Erfassung einer volumetrischen Partikelverteilung im Strahlungsfeld ( 1 ) . 54. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 52, mit den Schritten

- Überwachung und/oder Steuerung einer Strahlungsquelle, mit der das Strahlungsfeld (1) erzeugt wird. 55. Verfahren gemäß Anspruch 54, bei dem

- die Strahlungsquelle bei der lasergestützten Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken oder der Fertigung in der Halbleitertechnik oder der Therapie und/oder Chirurgie mittels Laser-Strahlung verwendet wird.

56. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 54 bis 55, bei dem

- die Strahlungsquelle eine Stelleinrichtung enthält, mit der Strahlparameter des Strahlungsfeldes (1) veränderlich sind, wobei

- die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von einem Intensitätsprofil des Strahlungsfeldes (1) entlang der Longitudinalrich- tung (z), insbesondere im Fokus des Strahlungsfeldes (1), gesteuert wird.

57. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 54 bis 56, bei dem

- die Strahlungsquelle eine Fokussiereinrichtung enthält, und

- die Fokussiereinrichtung in Abhängigkeit von der Position des Fokus entlang der Longitudinalrichtung (z) gesteuert wird.

Description:
Messeinrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes , insbesondere von Laserstrahlung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsfeld-Messeinrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, basierend auf der Erfassung von Streustrahlung, welche das Strahlungsfeld in einem Medium erzeugt. Anwendungen der Erfindung sind bei der Überwachung und/oder Steuerung von Strahlungsquellen, insbesondere Laserquellen für die Ma- terialbearbeitung, und von strahlungsbasierten Verfahren, z. B. für die Materialbearbeitung oder Messzwecke, gegeben.

Stand der Technik Es ist allgemein bekannt, dass die Wirksamkeit und Genauigkeit strahlungsbasierter Verfahren, z. B. für die Materialbearbeitung oder Messzwecke, von den geometrischen Eigenschaften und/oder Feldeigenschaften des Strahlungsfeldes abhängen, das bei dem strahlungsbasierten Verfahren verwendet wird. Beispielsweise wird die Wirksamkeit der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung durch die Bildung eines Fokus der Laserstrahlung auf der Oberfläche des Materials beeinflusst. Es besteht daher allgemein ein Interesse an einer Untersuchung (Messung) von Strahlungsfeldern, um deren Eigenschaften zu erfassen und ggf. eine Strahlungsquelle so zu steuern, dass das Strahlungsfeld mit vorbestimmten Eigenschaften erzeugt wird . Herkömmliche Verfahren zur Untersuchung von Strahlungsfeldern umfassen invasive Verfahren und nicht-invasive Verfahren. Invasive Verfahren, wie z. B. die direkte Erfassung des Strah ¬ lungsfeldes mit einer Kamera, haben den Nachteil, dass ihre Anwendung das zu untersuchende Strahlungsfeld verändert. Im Ergebnis kann eine gewünschte Wirkung des Strahlungsfeldes beeinträchtigt oder zeitweilig sogar ausgeschlossen sein.

Beispielsweise sollte bei der Online-Überwachung von Laser- Schneid- oder -Schweißanlagen eine Beeinflussung oder Zerstö- rung der Lichtverteilung eines Arbeitsstrahls vermieden werden. Selbst wenn nur ein Teil des zu untersuchenden Strahlungsfeldes aus einem Hauptstrahl abgetrennt und gesondert untersucht wird (siehe z. B. DE 101 49 823 AI), kann die zur Abtrennung verwendete Optik, z. B. durch Verschmutzung, die Anwendung des Hauptstrahls beeinträchtigen.

Des Weiteren sind invasive Verfahren auf die Untersuchung von Strahlungsfeldern mit geringer Leistungsdichte beschränkt. Optiken, wie z. B. Spiegel, Prismen, Filtern und/oder Linsen, im Strahlengang des zu untersuchenden Strahlungsfeldes können bei hohen Leistungsdichten zerstört werden. Aus diesem Grund ist es in der Regel nicht möglich, z. B. das Strahlungsfeld im Fokus von Laserstrahlung mit einem invasiven Verfahren direkt zu untersuchen. Schließlich neigen invasive Verfahren zur Messung eines Strahlungsfeldes insbesondere bei monochromatischer Strahlung (z. B. bei einem cw-Laser) zu Artefakten durch Beugung an Fehlern oder Verunreinigungen an den Optiken, z. B. Linsenflächen, was zu Interferenzen führen kann, kaum vermeidbar ist und die Genauigkeit der Messung beein- trächtigt.

Nicht-invasive Verfahren haben den Vorteil, dass sie insbesondere bei hohen Strahlungsintensitäten anwendbar sind und dass das zu untersuchende Strahlungsfeld durch die Messung nicht beeinflusst wird. Beispielsweise wird in US 8 988 673 B2 ein nicht-invasives Verfahren beschrieben, bei dem das Streulicht eines Laserstrahls beim Durchgang durch ein Gas mit einer Kamera aufgenommen wird, um die Form des Pharoid- Strahls (des gesamten Strahlenbündels) zu vermessen. Mit die ¬ ser Methode werden 2D-Streustrahlungs-Bilder gemessen, welche Projektionen der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf Ebenen parallel zur Strahlrichtung darstellen. Das Verfahren gemäß US 8 988 673 B2 hat den Nachteil, dass sich weder transaxiale 2D-Schnitte, noch SD-Volumen- Rekonstruktionen des Laserstrahls ermitteln lassen. Mit dem Verfahren gemäß US 8 988 673 B2 könnte eine Abfolge von 2-D- Projektionen des Strahlungsfeldes, etwa durch das wiederholte Verfahren einer Kamera entlang eines vorgegebenen linearen Profils, erzielt werden. Die Vermessung eines einzelnen

Lichtpulses wäre damit jedoch nicht möglich.

Ein generelles Problem herkömmlicher Techniken zur Untersu- chung von Strahlungsfeldern besteht darin, dass sie auf die Erfassung einzelner Eigenschaften beschränkt und nicht für eine vollständige Charakterisierung des Strahlungsfeldes durch nur eine Messung geeignet sind. Insbesondere sind nicht-invasive Verfahren zur simultanen Ermittlung von mehre- ren Parameter des Strahlungsfeldes, wie z. B. Intensitätsverteilung, Kaustik, M 2 -Parameter , Strahlpropagation, Wellenfront, Wellenlänge und Polarisationseigenschaften, und/oder Strahlform unbekannt. Die gleichzeitige Erfassung von mehreren Eigenschaften des Strahlungsfeldes wird bisher nur durch die Kombination oder zeitlich aufeinanderfolgende Anwendung unterschiedlicher Messverfahren erreicht, was die Komplexität der Untersuchung erhöht. Des Weiteren können sich mehrere Messungen durch ihre jeweilige Beeinflussung des Strahlungsfeldes gegenseitig ne ¬ gativ beeinflussen und dadurch eine exakte Darstellung des Strahlungsfeldes beeinträchtigen oder sogar ausschließen. Schließlich wäre die Anwendung von zeitlich aufeinanderfol- genden Messungen auf unveränderliche Strahlungsfelder beschränkt und für die Untersuchung z. B. von einzelnen Laser ¬ pulsen oder von transienten Lichtverteilungen ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Strahlungsfeld-Messeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, bereitzustellen, mit denen Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden Die Erfindung soll insbesondere ermöglichen, nicht-invasiv mehr Eigenschaften eines Strahlungsfeldes zu erfassen, und/oder das Strahlungsfeld mit erhöhter Ortsauflösung, Genauigkeit und/oder Reproduzierbarkeit zu charakterisieren, und/oder neue Anwendungen der Charakterisierung eines Strahlungsfeldes zu schaffen. Ferner soll insbesondere eine möglichst vollständige Vermessung und Rekonstruktion des Strahlungsfeldes durch die Anwendung möglichst nur eines Messverfahrens erreicht werden. Dies soll insbesondere durch eine Einzel-Messung oder mehrere zeitaufgelöste Einzel-Messungen realisierbar sein. Die Strahlungsfeld-Messeinrichtung soll sich des Weiteren insbesondere durch einen vereinfachten technischen Aufbau und/oder einen erweiterten Anwendungsbereich auszeichnen.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch eine Strahlungsfeld- Messeinrichtung (auch als Streustrahlungs-Tomograph bezeichnet) zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes, das ein Medium in einer Longitudinalrichtung (Strahlrichtung) durch ¬ läuft, gelöst, die eine Detektoreinrichtung und eine (Tomo- graphie- ) Rekonstruktionseinrichtung umfasst.

Die Detektoreinrichtung weist mindestens eine Detektorkamera mit mindestens einem Detektorarray auf, das zur Bildaufnahme von Streustrahlung angeordnet ist, die im Medium durch das Strahlungsfeld erzeugt wird und in eine Vielzahl von Seitenrichtungen (Drehrichtungen) gerichtet ist, die von der Lon ¬ gitudinalrichtung abweichen.

Gemäß der Erfindung ist die Rekonstruktionseinrichtung zur Charakterisierung des Strahlungsfeldes mittels einer compu- ter-tomographischen ortsaufgelösten Rekonstruktion (hier als tomographische Rekonstruktion bezeichnet) einer Felddichte (Energie- oder Leistungsdichte, räumliche Verteilung) der Streustrahlung im Strahlungsfeld unter Verwendung von

Bildsignalen der Detektoreinrichtung eingerichtet. Die Charakterisierung des Strahlungsfeldes umfasst allgemein die Ermittlung der Felddichte der Streustrahlung und vorzugsweise die Ermittlung von Strahlparametern, insbesondere geometrischen Strahlparametern und/oder Feld-Strahlparametern, des Strahlungsfeldes und/oder die Ermittlung einer Verteilung von streuenden Partikeln im Medium.

Die Felddichte der Streustrahlung ist eine Funktion der Intensitätsverteilung im Strahlungsfeld und erlaubt somit ins- besondere die Bereitstellung der gesuchten Strahlparameter.

Die Streustrahlung ist, falls Rayleigh-Streuung aus einem monochromatischen Strahlungsfeld erzeugt wird, proportional zur Intensitätsverteilung im Strahlungsfeld. Für den Fall eines polychromatischen Strahlungsfeldes ergibt sich unter der Voraussetzung, dass die detektierte spektrale Verteilung nicht räumlich im Messvolumen des Strahlungsfeldes variiert und insbesondere die Intensität I des Strahlungsfeldes gemäß I (λ, r) = Ιι(λ) * I 2 (r) faktorisierbar ist, ebenfalls eine Proportionalität. Letztere Voraussetzung kann z. B. erfüllt werden, indem die Detektoreinrichtung mit einem spektral selektiv wirksamen Filter ausgestattet ist, der einen Teil- Spektralbereich des Strahlungsfeldes durchlässt. Wenn die Intensität der Streuung des Strahlungsfeldes eine lineare Funktion der Intensität des Strahlungsfeldes ist, dann ergibt, bis auf einen Kalibrierungsfaktor, die tomographische Rekonstruktion auf Basis der Streustrahlung die 2D- oder 3D-Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes. Bei ande- ren Streu-Prozessen kann ebenfalls ein quantitativer Zusammenhang zwischen der Felddichte der Streustrahlung und der Intensitätsverteilung im Strahlungsfeld durch Kalibrierungsmessungen oder Anwendung von Streuungsmodellen ermittelt werden .

Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch die Verwendung der Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung bei der Steuerung eines Fokus des Strahlungsfeldes, Erfassung einer zeitlichen Drift eines Intensitätsprofils des Strahlungsfeldes, Charakterisierung des Strahlungsfeldes von Hochenergielasern, lasergestützten Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken, der Fertigung in der Halbleitertechnik, oder der Therapie und/oder Chirur- gie mittels Laserstrahlung, und/oder Überwachung und/oder

Steuerung strahlungsbasierter Prozesse, z. B. bei der Steuerung einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Laserquelle, gelöst. Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird insbesondere eine Steuervorrichtung für eine Strahlungsquel- le, umfassend insbesondere die Tomographie-Rekonstruktionsvorrichtung, als unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrachtet . Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes, das ein Medium in einer Lon- gitudinalrichtung durchläuft, unter Verwendung einer Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Ge- Sichtspunkt der Erfindung gelöst, wobei eine Bildaufnahme von Streustrahlung, die im Medium durch das Strahlungsfeld erzeugt wird und in eine Vielzahl von Seitenrichtungen gerichtet ist, die von der Longitudinalrichtung abweichen, mittels der Detektoreinrichtung, und eine Charakterisierung des

Strahlungsfeldes mit der Rekonstruktionseinrichtung unter

Verwendung von Bildsignalen der Detektoreinrichtung vorgesehen sind, und wobei die Rekonstruktionseinrichtung eine tomographische ortsaufgelöste Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung im Strahlungsfeld ausführt.

Die Erfindung ermöglicht allgemein die Charakterisierung eines gerichteten Strahlungsfeldes inkohärenter Strahlung oder kohärenter Strahlung (Laserstrahlung) . Die Charakterisierung von Laserstrahlung ist bevorzugt vorgesehen, da diese eine Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis begünstigt. Das Strahlungsfeld kann ein kontinuierliches Strahlungsfeld (kontinuierlicher Betrieb, cw-Betrieb) oder ein gepulstes Strahlungsfeld (Puls- Betrieb) sein, wobei als Felddichte im kontinuierlichen Be- trieb die Leistungsdichte und im Puls-Betrieb die Energiedichte der Streustrahlung rekonstruiert wird.

Die Streustrahlung wird vom Strahlungsfeld im Medium erzeugt, das allgemein eine streuende Substanz, insbesondere mindes- tens ein Gas (oder Dampf), z. B. Luft oder anderes gasförmiges Prozessmedium oder Streugas, eine Flüssigkeit, einen Festkörper, ein Plasma oder eine Partikel enthaltende Zusam ¬ mensetzung, wie z. B. eine kolloidale Lösung, ein Aerosol, Rauch, oder eine Emulsion, umfasst. In Abhängigkeit von der Art des streuenden Mediums wird die Streustrahlung z. B.

durch Rayleigh-Streuung, Tyndall-Streuung, Mie-Streuung oder Streuung an freien Ladungsträgern erzeugt. Diese Mechanismen der Streuung zeichnen sich jeweils durch eine spezifische Verteilung der Streustrahlung (z.B. Form der Streukeule oder Ausrichtung relativ zur Longitudinalrichtung des Strahlungsfeldes) aus, die bei der tomographischen Rekonstruktion der Felddichte berücksichtigt werden kann. Die räumliche Charakteristik der Streustrahlung kann durch eine Kalibrierungsmes- sung ermittelt werden.

Die Bildsignale der Detektoreinrichtung ( Streustrahlungs- Bilder) stellen Projektionen der Streustrahlung in den er- fassten Seitenrichtungen auf das mindestens eine Detek- torarray bereit. Die Rekonstruktionseinrichtung ist dafür konfiguriert, aus den Streustrahlungs-Bildern, die entsprechend einer Projektionsanzahl aus mehreren verschiedenen Richtungen (den erfassten Seitenrichtungen) aufgenommen werden, mittels der tomographischen Rekonstruktion mindestens ein Schnittbild der Streustrahlung im Strahlungsfeld zu ermitteln. Das Schnittbild der Streustrahlung repräsentiert die Felddichte der Streustrahlung im Strahlungsfeld, insbesondere die räumliche Verteilung der Streustrahlung im Strahlungsfeld, die ein qualitatives und quantitatives Maß für die Feldverteilung des Strahlungsfeldes ist. Die Rekonstruktionseinrichtung liefert ein dreidimensionales Modell der Feldverteilung des Strahlungsfeldes. Vorteilhafterweise werden die Beschränkungen herkömmlicher Techniken durch die Anwendung des Streustrahlungs-Tomographen vermieden, indem die ohnehin im Medium auftretende

Streustrahlung, z.B. basierend auf der Rayleigh-Streuung des Strahlungsfeldes oder Fluoreszenz an Atomen oder Molekülen des Mediums, genutzt wird, um das Strahlungsfeld umfassend und mit nur einer Messung zu charakterisieren. Insbesondere die Unvollkommenheiten des gebräuchlichen, Streulicht abbildenden 2D Verfahrens gemäß US 8 988 673 B2 werden durch die tomographische Strahlungsfeldrekonstruktion behoben, und es wird eine vollständige Strahlungsfeldrekonstruktion in einem interessierenden Messabschnitt ohne Störung der Strahlungsverteilung erreicht. Des Weiteren ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung. Der Streustrahlungs-Tomograph arbeitet berührungslos, d.h. nicht-invasiv, so dass die zu untersuchende Strahlungsverteilung durch die Messung nicht beeinflusst wird. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass keine Staubteilchen und Fehl- stellen an optischen Komponenten störend wirken können, da es keine solchen optischen Komponenten im Strahlengang des zu untersuchenden Strahlungsfeldes gibt. Es können besonders hohe Strahlungsintensitäten vermessen werden, ohne dass Komponenten des Streustrahlungs-Tomographen beschädigt werden. Al- ternativ kann der Streustrahlungs-Tomograph für einen invasiven Betrieb eingerichtet sein, beispielsweise wenn das untersuchte Strahlungsfeld im verwendeten optischen Aufbau zur Bildaufnahme der Streustrahlung gedreht werden soll oder wenn das untersuchte Strahlungsfeld von einem Hauptstrahl abge- zweigt werden soll.

Die Erfindung ermöglicht eine umfassende Vermessung des

Strahlungsfeldes, insbesondere eine dreidimensionale Rekonstruktion des Intensitätsprofils eines Strahlungsfeldes in einem Messvolumen, und die Ableitung einer Vielzahl von

Strahlparametern aus diesem. Die Messung kann frei von Artefakten, insbesondere frei von Interferenzen, Schattenrissen und/oder Beugungen erfolgen. Der Streustrahlungs-Tomograph ermöglicht die Rekonstruktion des Intensitätsprofils des untersuchten Strahlungsfeldes auch für transiente Strahlungsfelder und insbesondere einmalige Strahlungspulse. Vorteilhafterweise können auch mehrere transiente Phänomene des Strahlungsfeldes in einem Messvolumen simultan erfasst wer- den. Der Streustrahlungs-Tomograph hat im Vergleich zur Kombination herkömmlicher Messanordnungen, die zur umfassenden Charakterisierung des Strahlungsfeldes erforderlich wären, einen erheblich vereinfachten Aufbau. Vorteilhafterweise liefert die Erfindung im Unterschied zu dem gemessenen Summenbild in US 8 988 673 B2 eine tomographische Rekonstruktion des Strahlungsfeldes oder dessen Strahlparameter. Die Charakterisierung des Strahlungsfeldes ist von der Beobachtungsrichtung unabhängig, da für die tomographi- sehe Rekonstruktion ohnehin eine mehrwinklige Erfassung der

Streustrahlungs-Bilder vorgesehen ist. Die vollständige dreidimensionale Rekonstruktion des Intensitätsprofils in einem Messabschnitt ermöglicht es, frei wählbare zweidimensionale Intensitätsprofile entlang jeglicher Schnittebenen durch das Medium im Messabschnitt abzuleiten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Charakterisierung des Strahlungsfeldes für Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen ermöglicht wird. Der Begriff "Strahlung" bezieht sich hier insbesondere auf elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Röntgen-, UV-, VIS-, NIR-, IR-, oder Mikrowellen-Bereich. Vorzugsweise ist die Detektoreinrichtung für eine Bildaufnahme der Streustrahlung jeweils entsprechend mit einer Wellenlänge im Röntgen-, UV-, VIS-, NIR-, IR-, oder Mikrowellen-Bereich eingerichtet. Besonders bevorzugt wird Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im UV-, VIS-, NIR-, oder IR-Bereich charakterisiert. Aber auch für andere Wellenlängenbereiche ergeben sich spezifische Vorteile. So wird, basierend auf der Emission der bei der Re ¬ kombination entstehenden Strahlung, die Vermessung von Inten ¬ sitätsverteilungen ionisierender Strahlung, etwa Röntgen- oder XUV/UV-Strahlung ermöglicht, die herkömmliche Strahlungsdetektoren schädigen oder zerstören würde.

Weiche Röntgen-Strahlung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren charakterisiert wird, weist vorzugsweise eine Energie von 0.1 bis 1 keV auf. Beispielsweise ist bei einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 10 nm, entsprechend etwa 1000 eV bis 100 eV, die Streuung und Absorption in Luft bereits mit der Streuung sichtbaren Lichtes in Luft vergleichbar. Die Charakterisierung von Röntgen-Strahlung ist z.B. bei Anwendungen in der Halbleiterindustrie, insbesondere für die Mik- rolithographie von Interesse, für die es bisher keine geeig- neten nicht-invasiven Strahldiagnoseverfahren gibt.

Vorzugsweise ist die Rekonstruktionseinrichtung zur nichtanalytischen, insbesondere algebraischen oder statistischen, tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrah- lung eingerichtet. Besonders bevorzugt umfasst die tomographische Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung einen iterativen Algorithmus.

Die tomographische Rekonstruktion mit einem nicht-analyti- sehen Verfahren hat gegenüber analytischen Verfahren Vorteile in der erzielbaren Qualität und Quantifizierbarkeit des Rekonstruktionsergebnisses, insbesondere dadurch, dass sie artefaktfreier und räumlich aufgelöster berechnet werden.

Nicht-analytische Verfahren können z. B. die bei der ange- strebten geringen Projektionsanzahl sonst zu erwartenden Sampling-Artefakte im Rekonstruktionsergebnis erheblich ver ¬ ringern. Weiterhin erlauben sie prinzipiell die Berücksichti ¬ gung aller im Zuge der Bildakquirierung auftretenden, übli- cherweise die Bildqualität degradierenden, physikalischen Ef ¬ fekte. Dies können beispielsweise die Charakteristik des abbildenden Systems sein (die so genannte Punktabbildungsfunktion, PSF) oder etwa das Auftreten von Reflektions- Streustrahlung . Allen nicht-analytischen Verfahren gemein ist, dass sie den Raum von vornherein diskret auffassen, somit auch das Rekonstruktionsergebnis und die Messdaten. Das heißt, das zu ermittelnde Rekonstruktionsergebnis wird durch die Diskretisierung des Raumes in eine Vielzahl dreidimensionaler Voxel zerlegt; die Messdaten werden entsprechend in ei- ne Vielzahl zweidimensionaler Pixel zerlegt.

Eine erste Untergruppe nicht-analytischer Rekonstruktionsverfahren sind algebraische Rekonstruktionsverfahren. Sie invertieren ein lineares Gleichungssystem oder ermitteln dessen Pseudoinverse (Moore-Penrose-Inverse ) . Die Vielzahl algebraischer Rekonstruktionsverfahren wird wegen der hohen Dimensio- nalität der Aufgabenstellung iterativ durchgeführt, beispielhaft mit den Algorithmen ART, MART, oder SMART. Vorzugsweise erfolgt die tomographische Rekonstruktion mit einer zweiten Untergruppe der nicht-analytischen Rekonstruktionsverfahren, nämlich den statistischen Rekonstruktionsverfahren. Diese werden ebenfalls im Wesentlichen iterativ durchgeführt. Sie haben insbesondere Vorteile bei der Rekon- struktion basierend auf verrauschten Bildaufnahmen von

Streustrahlung (Messdaten (y) ) . Beispielsweise kann das Pois- sonrauschen der Messdaten, wie es aufgrund der geringen Intensität der Streustrahlung auftreten kann, implizit berücksichtigt werden. Statistische Verfahren basieren auf der For- mulierung eines hochdimensionalen Ziel- oder Kostenfunktionais F(f), welches für eine bestimmte Wahl der Voxelwerte ein, bestenfalls globales, Minimum annimmt. Die Gesamtheit eben dieser Voxelwerte, für die das Kostenfunktional mini- miert wird, stellt das Rekonstruktionsergebnis f dar. Je nach der Art der Formulierung des Zielfunktionals und der Art der iterativen Rechenvorschrift (des Algorithmus) für die Suche des Zielfunktionalminimums gibt es eine Vielzahl von anwendbaren statistischen, iterativen Rekonstruktionsmethoden.

Das Zielfunktional F(f) besteht aus mindestens zwei Komponenten. Der die Bildgebung formulierende tomographische Daten- Mismatch-Term L(y_, f) fordert, im Rahmen der Rauschcharakteristik der Messdaten _ , die Übereinstimmung der Vor- wärtsproj ektionen von f, berechnet durch Anwendung einer Systemmatrix A auf f, f, mit den Messwerten y. Die Systemmatrix A formuliert dabei die Messgeometrie und berücksichtigt prinzipiell alle physikalischen Effekte der Messwerte- Entstehung. Vorzugsweise wird als der tomographische Daten- Mismatch-Term der Maximum-Likelihood-Term verwendet, welcher die üblicherweise auftretende Poisson-Rauschcharakteristik der Streustrahlung berücksichtigt.

Die zweite Komponente des Zielfunktionals ist vorgesehen, da die Formulierung des Zielfunktionals allein durch den Daten- Mismatch-Term ein so genanntes schlecht gestelltes Problem ist, welches im Zuge des iterativen Minimierungsprozesses im allgemeinen zu einer Rauschverstärkung des Rekonstruktionsergebnisses führt. Deshalb wird das Zielfunktional vorzugsweise durch einen Bayes-artigen Regularisierungsterm R{f) ergänzt, dem Vorkenntnisse über Nachbarschaftsverhältnisse der Voxelwerte des Rekonstruktionsergebnisses zugrunde liegen. Die statistische tomographische Rekonstruktion unter Verwendung der Streustrahlungs-Bilder wird vorzugsweise analog zu der tomographischen Rekonstruktion von emissionstomographi- schen Messdaten ausgeführt, die in US 8,559,690 beschrieben ist. Entsprechend wird vorzugsweise das zu minimierende Ziel ¬ funktional durch einen dritten Term ergänzt. Dies ist ein, die Spärlichkeit oder aber mindestens die Komprimierbarkeit von f verstärkender Lp-Norm-Term mit (0 ^ p < 2), insbesondere ein Ll-Norm-Term: || T r f || i . Da die Komprimierbarkeit von f im Allgemeinen nicht im Ortsraum gegeben ist, wird f vermittels T T in eine spärliche oder aber mindestens komprimierte Darstellung transformiert, etwa durch Anwendung einer dreidimensionalen Wavelet-Transformation, welche weiterhin so gewählt wird, dass sie möglichst inkohärent zur Systemmatrix A . ist. Mit der Einsetzung dieses Terms ist vorteilhafterweise das Compressive-Sensing-Paradigma verbunden, mit dem eine erhebliche Reduktion der Anzahl der für eine artefaktfreie Rekonstruktion benötigen Einzel-Messungen der Streustrahlung unter verschiedenen Winkeln ermöglicht wird.

Das zu minimierende Zielfunktional wird daher vorzugsweise formuliert wie folgt:

F(f) = L( Z , hf) + \\ X T f\\ i + R(f) , α und ß sind Faktoren, die die Wirkung der jeweiligen Zielfunktionalkomponenten bestimmen. Der zur Minimierung des Zielfunktionals zu verwendende Algorithmus ist frei wählbar, soweit er den numerisch anspruchsvollen Ll-Norm-Term angemessen berücksichtigt. Dies betrifft insbesondere die Forderung, nach der die Voxelwerte der Randbedingung f > 0 genügen müssen. Deshalb wird vorzugsweise ein so genannter "Alternating Direction Method of Multipliers" (ADMM) -Algorithmus angewendet. Die Charakterisierung des Strahlungsfeldes umfasst vorzugs ¬ weise die Ermittlung der Strahlparameter in einem partikel ¬ freien Medium. Unter praktischen Anwendungsbedingungen können jedoch Staubteilchen im Messabschnitt Artefakte und Störungen der Rekonstruktion verursachen. Bei der Erfassung von Ray- leigh-Streuung ist daher vorzugsweise eine Eliminierung von Staub- und Mie-Streuungsereignissen im Medium vorgesehen. Ge ¬ mäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin ¬ dung wird vorzugsweise ein rein statistischer Ansatz zur De- tektion und ggfs. Eliminierung der Staub- und Mie-

Streuungsereignisse im Medium eingesetzt. Dabei werden zeit ¬ lich aufeinander folgend mehrere Streustrahlungs-Bilder aufgenommen und Artefakt-trächtige Streuereignisse, die von Partikeln im Medium herrühren, durch eine statistische Analyse der Serie von Streustrahlungs-Bildern eliminiert. Dieser Ansatz beruht somit auf einer effektiven Verrechnung mehrerer, zeitlich aufeinander folgender Einzelmessungen, und er benötigt vorteilhafterweise keine vorbestimmten Parameter. Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, die Felddichte der Streustrahlung unter Berücksichtigung von Partikeln im Medium zu rekonstruieren, welche ohne diese Berücksichtigung zu Artefakten der rekonstruierten Felddichte führen würden. Für ein zeitlich hinreichend stationäres Strahlungsfeld ließe sich dementsprechend die mit jeder Projektionsrichtung verbundene Messung mehrfach ausführen. Transiente Streuereignisse werden, wenn die iederholungsfreguenz der Mehrfachmessung an die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit der Staubteilchen angepasst ist, durch eine pixelweise durchgeführte Medianbildung effektiv eliminiert. Gleichzeitig werden die der tomographischen Rekonstruktion zugeführten Proj ektionsbilder entrauscht . Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Verwendung nicht-analytischer Verfahren beschränkt. Alternativ können analytische Verfahren angewendet werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie Rekonstruktionsergebnis und Messdaten als kontinuierliche Funktionen auffassen und eine, implizit den Proj ektionsprozess vereinfachende, Integralgleichung di ¬ rekt lösen. Beispiele dafür sind die gefilterte Rückprojekti ¬ on (FBP) und die Rückprojektion gefilterter Projektionen (CBP) .

Vorteilhafterweise kann die tomographische Rekonstruktion so ausgeführt werden, dass der ggf. durch eine Referenzmessung ermittelte Beleuchtungshintergrund nicht von den Streustrah- lungs-Bildern (Projektionen) subtrahiert, sondern implizit im Rahmen eines Vorwärts- und Rückwärtsproj ektionsprozesses der tomographischen Rekonstruktion berücksichtigt wird. Der aktuelle Beleuchtungshintergrund kann z.B. eine äußere Beleuchtung, falls das Medium im Messvolumen nicht vollständig gegen von außen einfallendes Licht abgeschirmt werden kann,

und/oder Sekundärstreuung der Rayleigh-Streuung an Objekten in der Nähe des Messaufbaus umfassen. Im letzteren Fall wird die Sekundärstreuung, welche im Projektionsbereich des Strahlungsfeldes vom Strahlungsfeld selbst überstrahlt wird, in diesem Projektionsbereich durch Interpolation geschätzt.

Die Seitenrichtungen, in denen die Streustrahlungs-Bilder aufgenommen werden, verlaufen senkrecht zur Longitudinalrich- tung, wobei sie in diesem Fall die Radialrichtungen darstellen, oder mit einem Winkel kleiner oder größer 90° relativ zur Longitudinalrichtung .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Detektorarray zur Bildaufnähme von Streustrahlung derart angeordnet, dass die Seitenwinkel solcherart verteilt sind, dass die Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung senkrecht zur Longitudinalrichtung einen Messbereich von 180° bis 360° aufspannen. Wenn das Streumedium die Streustrahlung auf dem Weg zur

Strahlungsfeld-Messeinrichtung innerhalb und/oder außerhalb des Strahlungsfeldes homogen oder inhomogen schwächt, wird die Erfassung der Streustrahlung vorzugsweise aus derart gewählten Seitenrichtungen vorgenommen, dass deren jeweiligen Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung des Strahlungsfeldes über 360° verteilt sind. Wenn die Schwächung der Streustrahlung durch das Streumedium auf dem Weg zur Strahlungsfeld-Messeinrichtung vernachlässigbar ist, wird die Erfassung der Streustrahlung vorzugsweise aus derart gewählten Seitenrichtungen vorgenommen, dass deren jeweiligen Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung des Strahlungsfeldes über 180° verteilt sind.

Vorzugsweise wird die Streustrahlung in Seitenrichtungen ge- messen, deren Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung über den Messbereich gleichmäßig verteilt angeordnet sind, außer in dem Fall, dass es sich um eine gerade Anzahl von Seitenrichtungen handelt, deren Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung über 360° zu verteilen sind. In diesem Fall werden sie vorzugsweise ungleichmäßig über den Messbereich verteilt. Vorteilhafterweise wird damit die Aufnahme redundanter Bildinformation der Streustrahlung vermieden, und die Anzahl der Seitenrichtungen, die bei einer konkreten Anwendung der Erfindung zur Charakterisierung des Strahlungs- feldes erforderlich sind, kann minimiert werden.

Vorteilhafterweise kann die Charakterisierung des Strahlungsfeldes unter Verwendung von Streustrahlungs-Bilder erfolgen, die in nur zwei verschiedenen Seitenrichtungen (Seitenwinkel ungleich 180°, vorzugsweise um 90°) aufgenommen wurden. Alternativ werden Streustrahlungs-Bilder entlang von mindestens drei Seitenrichtungen, insbesondere mindestens vier (bei ei ¬ nem Messbereich von 180°) oder mindestens fünf (bei einem Messbereich von 360°) Seitenrichtungen aufgenommen und der tomographischen Rekonstruktion unterzogen.

Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Detektoreinrichtung zur Bildaufnahme der Streustrahlung senkrecht zur Longitudinalrichtung angeordnet. In diesem Fall können sich Vorteile aufgrund des verfügbaren Platzes und der Justierung der Detektoreinrichtung relativ zur Longitudinalrichtung ergeben. Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung kann die Bildaufnahme mit einem Winkel kleiner oder größer als 90° relativ zur Longitudinalrichtung erfolgen, wobei sich Vorteile durch einen Zuwachs der Streuintensität ergeben, wenn sich der Winkel der Seitenrichtung der Bildaufnahme relativ zur Longitudinalrichtung verringert oder vergrößert. Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Detektoreinrichtung für eine spektral selektive Bildaufnahme der Streustrahlung konfiguriert ist, d.h. mit der Detektoreinrichtung Streustrahlungs-Bilder nur in einem begrenzten Spektralbereich aufgenommen werden, können sich Vorteile für eine verbesserte Unterdrückung störender Fremdstrahlung und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis der Rekonstruktion ergeben. Die Detektoreinrichtung kann z.B. mit mindestens einem geeigneten Filter ausgestattet sein, der den gewünschten Spektralbereich durchläset. Ein weiterer Vorteil der spektral selektiven Bildaufnahme der Streustrahlung besteht in der Vereinfachung der Rekonstruktion polychromatischer Strahlungsfelder . Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Felddichte in einem Messabschnitt des zu untersuchenden

Strahlungsfeldes zu rekonstruieren. Gemäß einer ersten Vari ¬ ante wird ein ebener schichtförmiger Ausschnitt (Schicht- Ausschnitt) des Strahlungsfeldes erfasst. Da die Schicht eine endliche Dicke hat, wird die rekonstruierte Felddichte als volumenhafte Größe erfasst. Der Schicht-Ausschnitt kann senkrecht oder geneigt relativ zur Longitudinalrichtung ausgerichtet sein. Die Dicke des Schicht-Ausschnitts ist vorzugs- weise so gewählt, dass die Felddichte innerhalb der Schicht näherungsweise konstant ist. Bei dieser Variante ist die Re ¬ konstruktionseinrichtung zur tomographischen Rekonstruktion einer transversalen oder geneigten Schicht der Felddichte der Streustrahlung in dem Schicht-Ausschnitt endlicher Dicke des Strahlungsfeldes eingerichtet.

Ein konventionelles, invasives Strahlprofilmessgerät erfasst im Allgemeinen eine zweidimensionale Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes senkrecht zu dessen Longitudinalrich- tung. Die erfindungsgemäß rekonstruierte volumenhafte Felddichte der Streustrahlung lässt sich, bei einer entsprechenden Orientierung der Schicht, durch die Integration der Felddichte von jedem Voxel in longitudinaler Richtung des Strahlungsfeldes und der anschließenden Multiplikation mit einem Konversionsfaktor, ebenfalls in eine zweidimensionale Intensitätsverteilung überführen.

Die Ermittlung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus nur einer einzelnen rekonstruierten Schicht der Felddich- te der Streustrahlung hat Vorteile im verringerten Geräte- und Rechenaufwand gegenüber einer sich über mehrere Schichten erstreckenden Messung und Rekonstruktion. So kann die Detektoreinrichtung vorzugsweise Linien-Detektorarrays umfassen, mit denen linienhafte Streustrahlungs-Bilder aufgenommen wer- den. Vorteilhafterweise ergibt dies einen vereinfachten Aufbau der Detektoreinrichtung.

Gemäß einer zweiten Variante wird ein dreidimensionaler, ty- pischerweise zylinder- oder kegelstumpfförmiger, Volumen- Ausschnitt des Strahlungsfeldes erfasst, der aus mehreren Schichten endlicher Dicke oder in anderer Weise volumenhaft geeignet angeordneter Voxel besteht. In diesem Fall ist die Rekonstruktionseinrichtung zur tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung im gesamten dreidimensionalen Volumenausschnitt, welcher sich in jeder Dimension durch die Aneinanderreihung von Voxeln konstituiert, eingerichtet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Detektoreinrichtung vorzugsweise Flächen-Detektorarrays . Der Volu- men-Ausschnitt ist insbesondere aus mindestens zwei aneinander gereihten Schicht-Ausschnitten, vorzugsweise in Longitu- dinalrichtung aneinander gereiht, zusammengesetzt. Der Volumen-Ausschnitt kann sich durch eine in Longitudinalrichtung veränderliche Felddichte auszeichnen.

Vorteilhafterweise bestehen des Weiteren verschiedene Möglichkeiten, die Detektoreinrichtung zu konfigurieren. Gemäß einer ersten Variante kann die Detektoreinrichtung mehrere Detektorkameras umfassen, die jeweils mit mindestens einem Detektorarray ausgestattet sind. In diesem Fall ist für jede Seitenrichtung, in der ein Streustrahlungs-Bild aufgenommen werden soll, eine zugehörige Detektorkamera vorgesehen. Jede Detektorkamera liefert ein Streustrahlungs-Bild für eine der Seitenrichtungen, so dass sich Vorteile ergeben, wenn die Streustrahlungs-Bilder unmittelbar und ohne zusätzliche optische Elemente aufgenommen werden sollen.

Gemäß einer zweiten Variante kann die Detektoreinrichtung eine einzige Detektorkamera umfassen, die eine Vielzahl von De- tektorarrays enthält, die jeweils zur Bildaufnahme von

Streustrahlung in einer der Seitenrichtungen angeordnet sind. Die Detektorarrays können z. B. getrennte Arrays, z. B. CCD- Chips, oder bevorzugt Abschnitte eines gemeinsamen Arrays, z. B. CCD-Chips, umfassen. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil eines vereinfachten Aufbaus und Betriebs der Detektoreinrichtung .

Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er- findung eine Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, die zur Ablenkung der Streustrahlung entlang der Vielzahl von Seitenrichtungen auf die mehreren Detektorkameras oder die einzige Detektorkamera angeordnet ist, können sich Vorteile für die Positionierung der mindestens einen Detektorkamera, insbesonde- re mit einem Abstand und/oder gemeinsam an einer Seite von dem Strahlungsfeld ergeben. Die Ablenkeinrichtung umfasst optische Elemente, besonders bevorzugt mindestens ein katoptri- sches Element (insbesondere Spiegel) und/oder mindestens ein dioptrisches Element (insbesondere Prismen und/oder Linsen) , mit denen der Strahlweg der Streustrahlung jeweils von einer der Seitenrichtungen zu der zugehörigen Detektorkamera aufgespannt wird. Die optischen Elemente können für eine Abbildung der Streustrahlung auf die mindestens eine Detektorkamera ausgelegt sein.

Vorteilhafterweise kann die Ablenkeinrichtung mehrere katopt- rische Elemente, insbesondere mehrere Reflektorabschnitte, umfassen, die jeweils zur Ablenkung der Streustrahlung entlang einer der Seitenrichtungen hin zu einem der Detek- torarrays angeordnet sind. Die Reflektorabschnitte sind vorzugsweise einzelne, ebene oder abbildende Spiegel oder zu einem Axicon-Reflektor verbunden, der axialsymmetrisch zur Lon- gitudinalrichtung angeordnet ist. Die einzelnen Spiegel haben Vorteile in Bezug auf die optimierbare Justierung der einzel- nen Strahlwege, während mit dem Axicon-Reflektor vorteilhafterweise der Messaufbau vereinfacht wird.

Wenn die Detektoreinrichtung eine einzige Detektorkamera mit mehreren Detektorarrays umfasst, ist als weiteres katoptri- sches Element vorzugsweise ein Sammelreflektor vorgesehen, der Strahlwege von den Seitenrichtungen über die Reflektorabschnitte sammelt und zu der Detektorkamera richtet. Der Sammelreflektor hat den Vorteil, dass die Justierung der Detek- torkamera relativ zu den Reflektorabschnitten vereinfacht wird .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Strahlungsfeld-Messeinrichtung mit einer

Strahldreheinrichtung ausgestattet sein, die ein drehbares Prisma, insbesondere Dove-Prisma, und/oder einen drehbaren Spiegel aufweist und die zur Drehung des Strahlungsfeldes um die Longitudinalrichtung eingerichtet ist. In diesem Fall enthält die Detektoreinrichtung eine einzige Detektorkamera, die zur Bildaufnahme von Streustrahlung angeordnet ist. Für die Aufnahme von Streustrahlungs-Bildern in der Vielzahl von Seitenrichtungen wird das Strahlungsfeld mit der Strahldreheinrichtung in verschiedene Drehpositionen relativ zur Detektorkamera gedreht. Es wird angemerkt, dass diese Ausfüh- rungsform für eine nicht-destruktive Messung ausgelegt ist, d.h. sie erlaubt die Gleichzeitigkeit von Messung am Strahlungsfeld und primärer Anwendung des Strahlungsfeldes. Allerdings ist diese Ausführungsform nur bei Strahlungsfeldintensitäten anwendbar, die den Einsatz des drehbaren Prismas und/oder Spiegels erlauben.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Charakterisierung des Strahlungsfeldes die Ermittlung von Strahlparametern unmittelbar aus der tomogra- phisch rekonstruierten Felddichte der Streustrahlung. Vor ¬ zugsweise ist eine Analysatoreinrichtung vorgesehen, die Teil der Rekonstruktionseinrichtung oder separat von dieser ange ¬ ordnet ist und mindestens einen Strahlparameter des Strah- lungsfeldes aus der Felddichte der Streustrahlung ermittelt. Vorteilhafterweise kann mit der Analysatoreinrichtung mindestens einer der folgenden Strahlparameter berechnet werden: Feld-Strahlparameter, wie z. B. die Pulsenergie oder Puls ¬ energiedichte des Strahlungsfeldes im Falle gepulster Strah- lung, die Felddichte des Strahlungsfeldes im Falle kontinu ¬ ierlicher Strahlung, Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes, Wellenfronten des Strahlungsfeldes, Rayleigh-Längen des Strahlungsfeldes, oder Beugungsmaßzahlen, M 2 -Parameter und Strahlpropagationsfaktoren k des Strahlungsfeldes, und/oder geometrische Strahlparameter, wie z.B. geometrische Eigenschaften des Strahlungsfeldes, insbesondere Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und/oder Strahlform, Eigenschaften der Strahltaille des Strahlungsfeldes, insbesondere Radius, Position entlang der Longitudinalrichtung, und/oder Form des Fo- kus in transaxialer Schnittführung, und/oder räumliche Lage des Strahlungsfeldes im Medium. Vorteilhafterweise können die Strahlparameter einzeln, in Teilgruppen oder vollständig aus einer einzigen Messung am Strahlungsfeld ermittelt werden. Wenn die Analysatoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung für eine zeitlich fortlaufende Ermittlung des mindestens einen Strahlparameters und seiner zeitlichen Stabilität eingerichtet ist, ergeben sich Vorteile für die laufende Überwachung des Strahlungsfeldes und ggf. die Steuerung einer Strahlquelle zur Erzeugung des Strahlungsfeldes .

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann die Analysatoreinrichtung zur Berechnung von Strahleigenschaften einge- richtet sein, die von den ermittelten Stahlparametern abgeleitet sind. Ein bevorzugtes Beispiel ist die Berechnung der Strahlpropagation, insbesondere mittels einer Wellenfrontana- lyse. Die Berechnung der Strahlpropagation erlaubt, dass bei einer Untersuchung des Strahlungsfeldes in einem Messabschnitt, der von einem Ort der Einwirkung des Strahlungsfeldes auf ein Material beabstandet ist, Strahlparameter am Ort der Einwirkung ermittelt werden. Beispielsweise kann der Fokus des Strahlungsfeldes charakterisiert und die Position des Fokus erfasst werden, auch wenn eine Aufnahme der für die tomographische Rekonstruktion verwendeten Streustrahlungs- Bilder außerhalb des Fokus erfolgt.

Die Strahlungsfeld-Messeinrichtung kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einer Partikelentfernungseinrichtung ausgestattet sein, die zur Bereitstellung des Mediums im Messabschnitt der Strahlungsfeld- Messeinrichtung in einem partikelfreien Zustand eingerichtet ist. Die Partikelentfernungseinrichtung hat den Vorteil, Staubteilchen aus dem Messabschnitt zu entfernen, welche andernfalls Artefakte und Störungen der Rekonstruktion verursachen könnten. Vorteilhafterweise sind verschiedene technische Maßnahmen verfügbar, mit denen Staubpartikel entfernt werden können, wie z. B. elektrostatische Filter, mechanische Filter zur Erzeugung eines konstanten Partikel-freien Medien-Stromes durch den Messabschnitt, und/oder Spülgasguellen zur Bereitstellung gereinigter Medien oder eines Spülgases für den Messabschnitt . Gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung kann die Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung verwendet werden, um eine volumetrische Partikelverteilung im Strahlungsfeld zu ermitteln. Vorteilhafterweise liefern in diesem Fall Zwischenergebnisse der erfindungsgemäß angewendeten Rekonstruk- tion Informationen über das Vorhandensein, die räumliche Verteilung, die Form und die Größenverteilung streuender Parti ¬ kel im untersuchten Strahlungsfeld. Aus letzterer lassen sich wiederum Partikelspektren ableiten.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin ¬ dungsgemäßen Verfahrens sind eine Überwachung und/oder eine Steuerung einer Strahlungsquelle vorgesehen, mit der das untersuchte Strahlungsfeld erzeugt wird. Ermittelte Strahlpara- meter des Strahlungsfeldes werden verwendet, um den Betriebszustand der Strahlungsquelle zu überwachen und ggf. einzustellen und/oder mit einem Regelkreis zu stabilisieren. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle eine Laserquelle, die z. B. für eine lasergestützte Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken oder ein Fertigungsverfahren in der Halbleitertechnik oder ein lasergestützte chirurgisches Verfahren eingerichtet ist.

Die Einstellung und optionale Regelung der Strahlungsquelle kann z. B. die Betätigung einer Fokussiereinrichtung der

Strahlungsquelle in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Fokus des Strahlungsfeldes entlang der Longitudinalrich- tung derart umfassen, dass der Fokus auf eine vorbestimmte Arbeitsposition, z. B. auf der Oberfläche eines zu bearbei- tenden Materials eingestellt wird.

Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle eine Stelleinrichtung enthalten, mit der Strahlparameter des

Strahlungsfeldes veränderlich sind, wobei in diesem Fall die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von einem ermittelten

Strahlparameter, besonders bevorzugt in Abhängigkeit von einem Intensitätsprofil des Strahlungsfeldes entlang der Lon- gitudinalrichtung, insbesondere im Fokus des Strahlungsfeldes, gesteuert wird. Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen be- schrieben. Es zeigen schematisch :

Figur 1: eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä ¬ ßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung,·

Figur 2: eine Anordnung von Reflektorabschnitten der Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3: eine Anordnung von Detektorkameras zur Aufnahme von

Streustrahlungs-Bildern;

Figuren 4 bis 14: Merkmale weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung mit verschiedenen Varianten einer Ablenkeinrichtung;

Figur 15: Merkmale einer Strahlungsfeld-Messeinrichtung mit einer Strahldreheinrichtung; und

Figur 16: ein Flussdiagramm mit einer Illustration von Merk- malen bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Untersuchung von Strahlungsfeldern von Licht (Lichtfelder), die z. B. kontinuierliches oder gepulstes Laserlicht oder nicht-kohärentes Licht, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Wellenlängenbereich umfassen, mit der tomographischen Rekonstruktion unter Verwendung von Streulicht-Bildern beschrieben. Optische Elemente der Strahlungsfeld-Messeinrichtung umfassen entsprechend ins ¬ besondere Spiegel, Linsen und/oder Prismen. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist jedoch nicht auf die Charakteri ¬ sierung von Licht beschränkt, sondern entsprechend mit Strahlungsfeldern anderer Wellenlängen, z.B. Röntgenstrahlung möglich. In diesen Fällen werden die optischen Elemente ggf. durch entsprechende Elemente zur Strahllenkung und/oder

-abbildung, wie z. B. Röntgenoptiken, Vielschichtspiegel oder Spiegelanordnungen mit streifendem Einfall, ersetzt, und die Detektorkamera ( s ) umfassen z.B. CCD-Kameras mit Konverterschichten oder Kameras mit Bildwandlerröhren. Des Weiteren werden die Strahlungsfeld-Messeinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb insbesondere unter Bezug auf die Sammlung von Streulicht-Bildern und den Aufbau der Detektoreinrichtung beschrieben. Einzelheiten des Rekonstruktionsverfahrens können realisiert werden, wie von herkömmlichen Verfahren der Emissionstomographie, insbesondere gemäß US 8,559,690 bekannt ist.

Die Sammlung von Streulicht-Bildern kann bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung einer Ablenkeinrichtung mit katoptrischen und/oder dioptrischen Elementen erfolgen. Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung mit katoptrischen Elementen können entsprechend auch durch diopt- rische Elemente realisiert werden (und umgekehrt) . Beispielsweise können die Wirkungen von Reflektorabschnitten durch optische Linsen realisiert werden. Katoptrische Elemente, wie z. B. Spiegel, haben jedoch Vorteile, da sie keinen Farbfehler haben und leichter an eine elliptische Anordnung mit Strahlumlenkung angepasst werden können. Multispiegelanord- nungen mit mehreren Reflektorabschnitten haben ferner im Ver- gleich zu Linsen- oder Prismenanordnungen oder der Verwendung einer einzelnen Detektorkamera den Vorteil einer hohen Raumwinkelabdeckung . Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 zur Cha ¬ rakterisierung eines Lichtfeldes 1 mit einer Detektoreinrichtung 10, einer Ablenkeinrichtung 30 und einer Rekonstruktionseinrichtung 20. Bei dieser Ausführungsform umfasst die De- tektoreinrichtung 10 eine einzige Detektorkamera 11. Die

Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 ist zur Charakterisierung des Lichtfeldes 1 eines Laserstrahls vorgesehen, der zum Zweck der Materialbearbeitung mit einer Laserquelle 210, z. B. einem C0 2 -Laser, einem Nd-YAG-Laser oder einem Scheiben- laser, erzeugt und auf die Oberfläche eines Werkstücks 220 fokussiert wird. Beispielsweise soll die Modenstruktur und Leistung des Lichtfeldes 1 und die Position eines Fokus auf der Oberfläche des Werkstücks 220 erfasst und ggf. gesteuert werden. Der Lichtweg des Lichtfeldes 1 verläuft mit einer Strahlrichtung, die hier als Longitudinalrichtung z bezeichnet wird, durch einen Messabschnitt 4, der ein Medium 2, z. B. Luft, enthält. Im Messabschnitt 4 hat das Lichtfeld 1 eine Querschnittsdimension von z.B. 10 μπι bis 10 cm, typischerweise von 1 mm bis 10 mm.

Figur 1 zeigt die Untersuchung des Lichtfeldes 1, das direkt von der Laserquelle 210 erzeugt wird. Alternativ kann, wenn die Felddichte der Strahlung genügend gering ist, das Lichtfeld 1 mit einem Strahlteiler von einem Hauptstrahl abge- zweigt sein, der auf das zu bearbeitende Material gerichtet ist .

Das Lichtfeld 1 wird an den Molekülen des Mediums 2 gestreut, so dass Streulicht 3 erzeugt wird. Das Streulicht 3 wird in und entgegen der Longitudinalrichtung z und seitlich zu dieser mit Komponenten in der x-y-Ebene abgestrahlt. Ein Teil des Streulichts 3 wird bei vorbestimmten Seitenrichtungen mit der Ablenkeinrichtung 30 gesammelt (siehe Figur 2A) und zur Detektorkamera 11 der Detektoreinrichtung 10 gerichtet. Mit der Detektorkamera 11 werden Streulicht-Bilder 6 des im

Lichtfeld 1 erzeugten Streulichts 3 entlang der Seitenrichtungen aufgenommen (siehe Figur 2B) . Die Ablenkeinrichtung 30 umfasst Reflektorabschnitte 31 und einen Sammelreflektor 32 in Gestalt von ebenen Spiegeln, die im dargestellten Beispiel relativ zur Longitudinalrichtung z um 45° geneigt sind. Es sind z. B. vier Reflektorabschnitte 31 vorgesehen, welche Streulicht 3 vom Lichtfeld 1 in vier Seitenrichtungen 5 zu dem Sammelreflektor 32 reflektieren. Die Seitenrichtungen 5 sind in Bezug auf die x-y-Ebene mit verschiedenen Seitenwinkeln vorzugsweise ungleichmäßig verteilt angeordnet, wie in Figur 2A schematisch gezeigt ist. Von jedem Reflektorabschnitt 31 wird ein Bild des im Licht- feld 1 erzeugten Streulichts 3 über den Sammelreflektor 32 zur Detektorkamera 11 reflektiert. Die Reflektorabschnitte 31 haben Vorteile für die Vermeidung von Hintergrundrauschen aus Sekundärstreuung, da letztere aus der Anordnung der Reflektorabschnitte 31 geleitet wird.

Die Detektoreinrichtung 10 umfasst eine einzige Detektorkamera 11 mit einem Detektorarray 12, z.B. einem CCD-Chip vom Typ Sony ICX285, und einem Kameraobjektiv 13. Die Streulicht- Bilder 6 können mit einem einheitlichen Detektorarray 12 auf- genommen werden. Pixelgruppen des Detektorarrays 12 stellen mehrere Linien-Detektorarrays oder mehrere Flächen- Detektorarrays für die Bildaufnahme des Streulichts 3 bereit. Alternativ können einzelne, getrennte Detektorarrays zur Bildaufnahme des Streulichts 3 vorgesehen sein. Für eine spektral selektive Bildaufnahme des Streulichts 3 kann die Detektoreinrichtung 10 mit einem farbempfindlichen Detek- torarray 12 und/oder einer spektral selektiven Filtereinrich ¬ tung (nicht dargestellt) ausgestattet sein. Die Detektorkame- ra 11 bildet mit dem Kameraobjektiv 13 über die Planspiegel der Reflektorabschnitte 31 und des Sammelreflektors 32 die zweidimensionale Intensitätsverteilung des Streulichts 3 im Bereich des Lichtfelds 1 ab. Die Begrenzungslinien des Streulichtes 3 geben dabei einen Eindruck vom Pharoidstrahlengang des Kameragesichtsfeldes. Dabei werden auf dem Detektorarray 12 über die verschiedenen Spiegel mehrere Ansichten des

Streulichts von dem Lichtfeld 1 aus unterschiedlichen Seitenrichtungen abgebildet. Wie in Figur 2B schematisch gezeigt ist, werden mit dem Kameraobjektiv 13 z.B. vier Streulicht- Bilder 6 auf dem Detektorarray 12 erzeugt. Die Detektorkamera 11 liefert ein Bildsignal, das die Streulicht-Bilder 6 repräsentiert, zu der Rekonstruktionseinrichtung 20.

Die Rekonstruktionseinrichtung 20 umfasst eine Computer- Einheit, die zur Ausführung eines computertomographischen Rekonstruktionsprozesses auf der Grundlage der Bildsignale der Detektorkamera 11 ausgelegt ist. Die Rekonstruktionseinrichtung 20 berechnet aus den Streulicht-Bildern 6 und der bekannten Geometrie der Ablenkeinrichtung 30, insbesondere der Verteilung der Seitenwinkel 5 der Reflektorabschnitte 31, die Felddichte des Streulichts 3 im Lichtfeld 1.

Die tomographische Rekonstruktion ergibt ein dreidimensionales Modell ( 3D-Datensat z ) der Intensitätsverteilung des

Streulichtes 3 im abgebildeten Volumenbereich des Lichtfeldes 1. Diese dreidimensionale Intensitätsverteilung des Streulichtes 3 ist eine Funktion der lokalen Strahlungsintensität des zu vermessenden Lichtfeldes. Das Modell der Intensitätsverteilung charakterisiert die räumliche Helligkeitsvertei- lung des Lichtfeldes, und es enthält vorteilhafterweise we ¬ sentlich mehr Informationen über das Lichtfeld 1 als jede der projektiven zweidimensionalen Kameraansichten und mehr als eine Serie aus zweidimensionalen Intensitätspro ektionen des Messbereiches des Lichtfeldes 1, die gemäß US 8 988 673 B2 gemessen werden können und sogar mehr als eine Serie aus in ¬ vasiv und direkt gemessenen Intensitätsprofilen mit einem senkrecht zur z-Achse stehenden abbildenden Detektor. Figur 1 illustriert des Weiteren, dass die Rekonstruktionseinrichtung 20 mit einer Analysatoreinrichtung 21 und einer Anzeigeeinrichtung ausgestattet sein kann. Mit der Analysatoreinrichtung 21 können unter Verwendung der dreidimensionalen Felddichte des Streulichts 3 im Lichtfeld 1 weitere

Strahlparameter, wie z. B. die Intensität oder die Lage des Fokus berechnet werden. Die ermittelten Strahlparameter als Fehlergrößen können zur Regelung der Laserquelle 210 verwendet werden, um vorbestimmte Strahlparameter einzustellen, die z. B. von einer schematisch gezeigten Steuereinrichtung 50 vorgegeben werden.

Merkmale einer weiteren Ausführungsform der Strahlungsfeld- Messeinrichtung mit einer Detektoreinrichtung 10, die mehrere Detektorkameras 11 aufweist (Mehrfachkameraanordnung) , sind schematisch in Figur 3 gezeigt. Die Detektorkameras 11 sind um das Lichtfeld 1 in radialen Richtungen gleichmäßig verteilt angeordnet. Alternativ kann eine ungleichmäßige Verteilung der Detektorkameras 11 vorgesehen sein. Jede der Detektorkameras 11 ist zur Aufnahme eines Streulicht-Bildes des Lichtfeldes 1 angeordnet. In diesem Fall kann auf die in Figur 1 gezeigte Ablenkeinrichtung 30 verzichtet werden. An Stelle mehrerer Teilbilder auf dem Detektorarray 12 (Figur 2B) entstehen mehrere einzelne Kamerabilder aus verschiedenen Seitenrichtungen. Die Bildsignale der Detektorkameras 11 wer- den in einer Rekonstruktionseinrichtung (in Figur 3 nicht gezeigt) der tomographischen Rekonstruktion unterzogen.

Figur 4 zeigt eine Variante der Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 mit einer einzigen Detektorkamera 11 (Figur 1) , wobei die Anordnung von Reflektorabschnitten 31 der Ablenkeinrichtung 30 durch einen Axicon-Reflektor 33 (einzelner hohlkegelförmiger Reflektor) ersetzt ist. Der Axicon-Reflektor 33 ist dafür ausgelegt, dass auf dem Detektorarray 12 zahlreiche Bilder des Streulichts 3 von dem Lichtfeld 1 aus unterschiedlichen Seitenrichtungen abgebildet werden. Die Verwendung des Axicon- Reflektors 33 liefert weitere Vorteile in Zusammenhang mit compressive sensing (CS) , da die Axicon-Messungen der im CS- Sinne geforderten „Inkohärenz" Rechnung tragen, insofern sie die Projektion der Streustrahlung des Strahlungsfeldes entlang seiner longitudinalen Ausdehnung in Strahlrichtung mit kontinuierlich zunehmender räumlicher Auflösung abbilden. Abweichend von Figur 4 kann der Axicon-Reflektor 33 durch zwei Axicon-Teilreflektoren ersetzt werde, die durch Halbierung des Axicon-Reflektors 33 in Longitudinalrichtung der Lichtfeldes 1 und Zusammensetzen der Hälften, wobei ein Teilreflektor um 180° gedreht ist, erhalten werden. Diese Varian- te der Erfindung kann Vorteile durch einen Ausgleich der am Axicon-Reflektor 33 möglichen, ungleichmäßigen räumlichen Auflösung bieten.

Eine weitere Variante der Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 mit einer einzigen Detektorkamera 11 ist in Figur 5 gezeigt, wobei der Axicon-Reflektor durch eine Anordnung von streifenförmigen Planspiegeln 34 ersetzt ist, die fächerförmig auf einer Hohlkegelfläche angeordnet sind. In diesem Fall werden auf dem Detektorarray 12 zahlreiche Bilder des Streulichts 3 des Lichtfelds 1 aus unterschiedlichen Seitenrichtungen erzeugt .

Die Figuren 6 und 7 illustrieren die Anwendung der Ausfüh- rungsform gemäß Figur 5 bei der Charakterisierung eines nicht-kollimierten Lichtfeldes 1. Der Durchmesser des Lichtfeldes 1 durchläuft an einem Fokus 7 ein Minimum. Gemäß Figur 6 wird mit der Ablenkeinrichtung das Streulicht 3 vom Messabschnitt 4, der den Fokus 7 enthält, zur Detektorkamera 11 ge- lenkt. Die tomographische Rekonstruktion der Felddichte des Streulichts 3 im Lichtfeld 1 liefert direkt eine Charakterisierung des Fokus 7. Alternativ kann das Streulicht 3 in einem Messabschnitt 4 mit einem Abstand vom Fokus 7 erfasst werden, wie in Figur 7 gezeigt ist. Die dreidimensionale Re- konstruktion der Felddichte des Streulichts 3 ermöglicht eine Wellenfrontanalyse und eine Erfassung der Propagationseigen- schaften des Lichtfeldes 1, insbesondere von dessen geometrischer Form, und liefert damit indirekt ebenfalls eine Charakterisierung des Fokus 7 und seiner Position. Die Ausführungs- form der Figur 7 kann dahingehend abgewandelt sein, dass sich der Fokus 7 außerhalb der Ablenkeinrichtung 30 befindet. Vorteilhafterweise kann damit berührungslos und nicht-invasiv der Fokus 7 z. B. auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials untersucht werden.

Merkmale abgewandelter Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung sind in den Figuren 8A und 8B gezeigt, wobei die Longitudinalrichtung z des Lichtfeldes 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft. In beiden Fäl- len ist eine Ablenkeinrichtung 30 mit mehreren Reflektorabschnitten 31 (Planspiegel) vorgesehen, die Streulicht 3 vom Lichtfeld 1 zur Detektorkamera 11 der Detektoreinrichtung 10 umlenken. Es sind z. B. vier Reflektorabschnitte 31 vorgesehen . Die Reflektorabschnitte 31 sind mit Oberflächen parallel zur Longitudinalrichtung z so angeordnet, dass eine Mittellinie jedes Reflektorabschnitts 31 eine Tangente an einer Ellipse in der x-y-Ebene bildet, wobei sich in einem Brennpunkt der Ellipse die Detektorkamera 11 (Figur 8A) oder ein Abbildungs ¬ objektiv 14 eines flexiblen oder starren Bildleitfaserbündels 15 (Figur 8B) und in dem anderen Brennpunkt das Lichtfeld 1 befinden. Zusammen mit der direkten Kameraperspektive auf das Lichtfeld 1 ergeben sich fünf verschiedene Seitenrichtungen und entsprechend fünf verschiedene Streulicht-Bilder. Gemäß Figur 8A werden die Streulicht-Bilder gleichzeitig direkt über das Kameraobjektiv 13 mit der Detektorkamera 11 aufgenommen. Gemäß Figur 8B erfolgt die Aufnahme der Streulicht- Bilder über das Abbildungsobjektiv 14, das Bildleitfaserbündel (Lichtwellenleiter-Bündel mit geordneten Fasern) 15 und eine Relaisoptik 16 mit der Detektorkamera 11 ohne Objektiv. Die Bildsignale der Detektorkamera 11, welche die Streulicht- Bilder beinhalten, werden zur Rekonstruktionseinrichtung (nicht dargestellt) geliefert.

Die Ausführungsform gemäß Figur 8B hat den Vorteil, dass die Detektorkamera 11 mit einem Abstand vom Messabschnitt 4 angeordnet werden kann, so dass sich störende Bedingungen im Messabschnitt 4, wie z. B. elektromagnetische Störfelder oder extreme Temperaturen, nicht auf die Detektorkamera 11 auswirken .

Die ebenen Reflektorabschnitte 31 der Figuren 8A und 8B kön- nen durch gekrümmte Reflektorabschnitte 31 ersetzt werden, wie beispielhaft in den Figuren 9 und 10 illustriert ist. Die asphärisch gekrümmten Reflektorabschnitte 31, die vorzugsweise außer-axiale Ellipsoide oder Paraboloide umfassen, haben eine abbildende und lichtsammelnde Wirkung. Die gekrümmten Reflektorabschnitte 31 sind mit ihren Mittellinien auf der oben unter Bezug auf Figur 8 beschriebenen Ellipse angeordnet. Streulicht 3 von dem Lichtfeld 1 wird auf eine einzige Detektorkamera 11 mit einem entozentrischen Objektiv 13 (Fi- gur 9) oder auf zwei Detektorkameras 11 mit entozentrischen Objektiven 13 (Figur 10) abgebildet.

Die gekrümmten Reflektorabschnitte 31 haben eine Wirkung wie eine Feldlinse (oder ein Feldspiegel), die in objektseitig telezentrischen Objektiven zwischen Objekt und Kamera vorgesehen ist. Telezentrisch heißt hier insbesondere auch, dass es keine entfernungsbedingten Abbildungsmaßstabsänderungen gibt. Die für telezentrische Objektive typische interne Blende zur Erzwingung der Telezentrie ist in Figur 9 nicht darge- stellt. Die Vorteile der Anordnung der gekrümmten Reflektorabschnitte 31 als Feldspiegel bestehen erstens in der hohen numerischen Apertur der von den Reflektorabschnitten 31 gebildeten Abbildungsoptik und der gesteigerten Lichtstärke und zweitens in der telezentrischen Wirkung auf der Seite des zu vermessenden Lichtfeldes 1. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine geringere abstandsabhängige Verzeichnung gegenüber einfacheren Anordnungen mit Planspiegeln oder bei Multikame- ra-Anordnungen gemäß Figur 3. Die objektseitig telezentrische Abbildung des Streulichtes 3 kann konstruktionsbedingt eine Verringerung der Lichtstärke ergeben. Um diese zu kompensieren, kann die Anordnung der Reflektorabschnitte 31 gemäß Figur 9 so abgewandelt werden, dass ein Kompromiss einerseits mit ausreichend hohem Licht- sammelvermögen und ausreichender Tiefenschärfe und andererseits ausreichender Telezentrie erzielt wird. Gemäß einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform von Figur 9 könnten die Reflektorabschnitte 31 durch einen Axicon-Reflektor mit elliptischer Wölbung ersetzt werden. Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Ablenkeinrichtung 30 dioptrische Elemente, insbesondere Linsen 35, 36 und/oder Prismen 37, umfasst, sind in den Figur 11 und 12 il- lustriert. Figur 11 zeigt die Ablenkeinrichtung 30 mit zwei Linsen 35, 36, die z. B. aus Quarzglas hergestellt sind und gemeinsam mit dem Objektiv der Detektorkamera 11 eine F- Theta-Anordnung bilden. Ähnlich wie beim Axicon-Reflektor liefern die Linsen 35, 36 ein kontinuierliches Bild, das Streulicht 3 aus allen erfassten Seitenwinkeln nebeneinander enthält, wobei die einzelnen Streulicht-Bilder für die tomographische Rekonstruktion aus dem kontinuierlichen Bild rechnerisch extrahiert werden. Vorteilhafterweise wird durch die F-Theta-Anordnung in Figur 11 ein größerer Winkelbereich des Streulichtes 3 vom Lichtfeld 1 erfasst als durch das Mul- tiprisma 37, das nur Streulicht 3 in maximal einem Halbraum von 180° oder weniger abbildet (Figur 12) . Des Weiteren kann mit der F-Theta-Anordnung ebenfalls eine objektseitig tele- zentrische Abbildung realisiert werden.

Gemäß Figur 12 ist die Ablenkeinrichtung 30 mit einem Mul- tiprisma 37 z. B. aus Quarzglas gezeigt, das zur Abbildung von fünf Seitenwinkeln (Perspektiven) geformt ist. Die Anordnung gemäß Figur 12 kann von Vorteil sein, wenn die Strah- lungsfeld-Messeinrichtung, z.B. aus Platzgründen, nur einseitig neben dem zu untersuchenden Lichtfeld 1 angeordnet sein soll .

Die Figuren 13 und 14 illustrieren weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Ablenkeinrichtung 30 dioptrische Elemente in Gestalt eines einfachen Prismas 38 oder eines Multiprismas 39, die z. B. aus Quarzglas hergestellt sind, umfasst. Streulicht 3 vom Lichtfeld 1 wird über das Prisma 38 oder das Multiprisma 39 zur Detektorkamera 11 gelenkt, deren Bildsignal zur Rekonstruktionseinrichtung (nicht dargestellt) geliefert wird. Diese Ausführungsformen haben Vorteile aufgrund der einfachen Struktur der Ablenkeinrichtung 30. Die Zerstörschwelle eines optischen Elements hängt vom Material des optischen Elements ab und beträgt bei Quarzglas für kontinuierliches Laserlicht z.B. 1 MW/cm 2 oder für gepulstes Laserlicht (10 ns Pulsdauer, Laserintensität bei 1064nm:

20J/cm 2 , Pulsfolgefrequenz 100 Hz.) z.B. 1 bis 5 GW/cm 2 . Wenn die Felddichte des untersuchten Lichtfeldes 1 unterhalb der Zerstörschwelle optischer Elemente, insbesondere von Glas, liegt, kann die in Figur 15 gezeigte Strahldreheinrichtung 40 mit einem drehbaren Dove-Prisma 41 (oder mit drehbaren Spiegeln, nicht dargestellt) vorgesehen sein, um mit der Detek- torkamera 11 Streulicht 3 entsprechend verschiedenen Seitenrichtungen zu erfassen. Mit dem drehbar gelagerten Dove- Prisma 41 kann das mit der Laserquelle 210 erzeugte Lichtfeld 1 um die Longitudinalrichtung z gedreht werden, wobei für jeden eingestellten Drehwinkel eine Bildaufnahme erfolgt. Des Weiteren ist ein Hintergrundschirm 17 vorgesehen, der z. B. eine geschwärzte Metall- oder Kunststoffplatte umfasst und einen dunklen Hintergrund für das Kamerabild hinter dem

Lichtfeld 1 bildet, welcher weitestgehend Reflektionen des auf ihn eintreffenden Streulichtes unterbindet.

Vorteilhafterweise ändert das Dove-Prisma 41 die Strahlrichtung nicht, sondern rotiert selbst um die Strahlachse z um einen Winkel. Das seitlich austretende Lichtfeld 1 rotiert dabei um den doppelten Winkel. Um das Lichtfeld 1 um 360° ro- tieren zu lassen, wird das Dove-Prisma 41 um 180° gedreht.

Dabei kann die Detektorkamera 11 Streulicht-Bilder mit einer frei wählbaren Anzahl von Perspektiven des Lichtfeldes 1 aufnehmen. Vorteilhafterweise bleibt bei dieser Messgeometrie der Hintergrund für alle Seitenrichtungen konstant. Figur 16 illustriert schematisch die Schritte des Verfahrens zur Charakterisierung eines Lichtfeldes 1, das ein Medium 2 durchläuft. Im Medium 2 erfolgt die Erzeugung von Streulicht durch Rayleigh-Streuung des Lichtfeldes 1 an Atomen oder Mo ¬ lekülen des Mediums 2. Die Intensität der Rayleigh-Streuung I R ergibt sich gemäß

I R = Io (k/λ 4 ) (1 + cos 2 ©) aus der Intensität der Lichtfeldes Io, einer Konstante k, der Wellenlänge λ und dem Winkel Θ relativ zur Longitudinalrich- tung des Lichtfeldes. Entsprechend kann neben der Gewinnung einer Information über die Intensität der Lichtfeldes Io auch die Wellenlängenabhängigkeit des Streulichts ausgenutzt werden, um das Lichtfeld 1 zu charakterisieren. Streulicht- Bilder des erzeugten Streulichts werden mit verschiedenen Seitenwinkeln relativ zur Longitudinalrichtung des Lichtfeldes aufgenommen. Die Streulicht-Bilder liefern Projektionen des vom Lichtfeld 1 erzeugten Streulichts, die der tomographische Rekonstruktion unterzogen werden. Im Ergebnis wird die 2D- oder 3D-Felddichte des Streulichts im Lichtfeld 1 berechnet, gefolgt von einer Analyse zur Ermittlung von Eigenschaften des Lichtfeldes, wie z. B. des Strahlprofils oder der Form der Wellenfront.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder in Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.