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BESCHREIBUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

[0001] 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. HINTERGRUND DER ERFINDUNG

[0002] 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 Öffhungswinkel 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.

[0003] 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.

[0004] 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. [0005] 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. [0006] 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. [0007] 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 Linearfuhrung 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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. [0016] 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%.

[0017] Es ist auch eine Ausfuhrungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der das variable optische Element eine Fluidlinse umfasst.

[0018] Bei einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung umfasst das variable optische Element eine adaptive Linse.

[0019] Bei noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das variable optische Element einen adaptiven Spiegel. [0020] Bei einer möglichen Ausfuhrungsform der Vorrichtung ist eine Linse zur Divergenz- Anpassung in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element angeordnet.

[0021] Es ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, bei der das Objektiv eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe umfasst.

[0022] 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.

[0023] Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls vorgeschlagen, welches die nachfolgend aufgeführten Verfahrensschritte umfasst. Ein Öffhungswinkel 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 Öffhungswinkels 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%.

[0024] 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.

[0025] Bei einem weiteren möglichen Verfahren umfasst das Ermitteln eines geometrischen Parameters des Lichtstrahls aus den registrierten Intensitätsverteilungen ein Ermitteln eines Strahlpropagationsfaktors des Lichtstrahls.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0026] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:

[0027] Figur 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.

[0028] Figur 2: Eine schematische Darstellung einer ersten Ausfuhrungsform 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. [0029] Figur 3: Eine schematische Darstellung eines Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung ähnlich der in Figur 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.

[0030] Figur 4: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der

Erfindung ähnlich der in Figur 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.

[0031] Figur 5: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfuhrungsform 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.

[0032] Figur 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. [0033] Figur 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.

[0034] Figur 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 Absorbern bzw. Strahlfallen aufgefangen.

[0035] Figur 9: Darstellung zur Bestimmung der Position der Hauptflächen eines aus zwei Linsengruppen zusammengesetzten Objektivs in Retrofokus-Bauweise. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

[0036] Figur 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 Figur 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 As entlang der optischen Achse 15 axial verschoben. In dem hier gezeigten Beispiel, bei dem der Lichtstrahl 10 kollimiert ist, ist der Fokus-Einstellbereich As gleich dem Brennweiten-Einstellbereich f _L v,A bis f _L v _, c der variablen Linse LV. Innerhalb dieses Einstellbereichs As wird der ortsauflösende Detektor 50 positioniert, vorzugsweise etwa in der Mitte des Einstellbereichs As. 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. [0037] 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 Figur 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 As. Dies äußert sich auch an unterschiedlichen Öffnungswinkeln des Strahlenkegels des fokussierten Lichtstrahls 17, wie bei den drei in Figur 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 1 1 146 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 Figur 1 ist dies erkennbar daran, dass die Fokusposition B 46 für die mittlere einstellbare Brechkraft 26 nicht in der Mitte des Einstellbereichs As liegt, sondern viel näher an der Fokusposition A, 45, bei der größten einstellbaren Brechkraft 25. Die erzielbare axiale Auflösung ist somit innerhalb des Einstellbereichs As nicht konstant.

[0038] 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 Figur 1 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung und die zugehörigen Verfahren fehleranfällig und beschränken die erreichbare Genauigkeit. [0039] Figur 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 Öffhungswinkel, 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 As erzeugt wird. Der ortsauflösende Detektor 50 ist innerhalb des Einstellbereichs As 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 H ₀ bj 31 des Objektivs 30 etwa gleich der Brennweite f b _j 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 Öffhungswinkeln des Strahlenkegels des fokussierten Lichtstrahls 17 bei den drei in Figur 2 beispielhaft gezeigten Strahlen für unterschiedliche Brennweiten des variablen optischen Elements 20. In dem in Figur 2 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennweite des Objektivs 30 relativ kurz gewählt, so dass der Einstellbereich As 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.

[0040] Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zu dem in Figur 2 gezeigten Beispiel ist die Brennweite des Objektivs 30 relativ lang gewählt. Dadurch ist zwar einerseits der Einstellbereich As deutlich größer als bei einer kurzen Brennweite des Objektivs 30, andererseits kann es dazu kommen, dass der Einstellbereich As 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. [0041] In Figur 4 ist ein Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform der Erfindung ähnlich wie in Figur 3 dargestellt. Im Unterschied zu Figur 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 Figur 4 gezeigten Beispiel liegt aufgrund der Divergenz des Strahls 10 der Einstellbereich As der Strahltaille 18 vollständig im Bildraum hinter dem Objektiv 30.

[0042] Bei der in Figur 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 As der Strahltaille 18 nach hinten verschoben und liegt vollständig im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30.

[0043] Figur 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 As der Strahltaille 18 nach hinten verschoben und kann vollständig im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegen.

[0044] In Figur 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 As 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 As um einen bestimmten Betrag axial verschoben wird. Im hier dargestellten Ausfuhrungsbeispiel hat die Linse 60 zur Divergenz-Anpassung eine positive Brechkraft, so dass der Einstellbereich As 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.

[0045] Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 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 Figur 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 Absorbern 74 aufgefangen werden.

[0046] Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Figuren 6, 7, 8). Dies trägt ebenfalls zu einem kompakten Aufbau bei.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

[0047] 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 anfallig 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.

[0048] 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.

[0049] 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. [0050] Das Objektiv 30 besitzt eine konstante Brennweite fo _bj und eine objektseitige Hauptfläche H ₀ bj 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'VOE Ho _b j von der bildseitigen Hauptfläche H ^' VOE 22 des variablen optischen Elements (VOE) 20 zur objektsei tigen Hauptfläche Ho _bj 31 des Objektivs 30 soll etwa gleich der Brennweite fo _bj des Objektivs 30 sein.

[0051] 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 ^' VOE Ho _b j zwischen der bildseitigen Hauptebene H ^' VOE 22 des variablen optischen Elements 20 und der objektseitigen Hauptfläche Ho _bj 31 des Objektivs 30 soll in einem Bereich von 0,95 * fobj < H'VOE Hobj < 1,05 * fobj liegen. Mit anderen Worten, der Abstand zwischen den Hauptflächen H ^' VOE Ho _bj soll gleich der Brennweite fo _b j des Objektivs 30 mit einer maximalen Abweichung von +1-5% betragen.

[0052] 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 As) als auch virtuell hinter dem ortsauflösenden Detektor 50 positioniert werden kann (z.B. hintere Endlage C, 47, des Fokus-Einstellbereichs As). [0053] 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 Öfmungswinkel des Strahlenkegels stärker oder schwächer beeinflusst. Beim gezeigten Beispiel in Figur 2 ist der zu vermessende Strahl 10 kollimiert und ist nach der Beeinflussung durch das variable optische Element 20 konvergent, wobei der Konvergenzwinkel (bzw. Öfmungswinkel) von der eingestellten Brennweite bzw. Brechkraft des variablen optischen Elements 20 abhängt. In Figur 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 Öfmungswinkel 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.

[0054] Die Gesamt-Brennweite fb eines aus zwei Linsen 1 und 2 zusammengesetzten Systems kann nach folgender, aus der technischen Optik bekannten Formel bestimmt werden: f _G = f , f ₂ / ( f , + f ₂ - e )

[0055] Dabei ist fi die Brennweite der ersten Linse 1, f ₂ 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 f _V 0E 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 fo _bj des Objektivs 30 sein. Es ergibt sich: fG - fvOE fobj / ( fvOE + fobj ~ ^β )

Mit e ~ f ₀ bj folgt: f _G « fobj [0056] Die Gesamt-Brennweite fo 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 As 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 1 1146 bestimmt werden.

[0057] Es ist vorgesehen, dass der Abstand H ^' VOE Hobj 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 +1-5% 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.

[0058] 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.

[0059] Eine weitere günstige Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt sich bei der Betrachtung des Einstellbereichs As 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 Figur 1 ist dann der Einstellbereich As unmittelbar gleich der Differenz aus der maximalen Brennweite und der minimalen Brennweite des variablen optischen Elements bzw. der variablen Linse LV: As = f _L v,c - ίίν,Α · Beim Stand der Technik ist also der Einstellbereich As durch die Eigenschaften des variablen optischen Elements festgelegt.

[0060] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen ergibt sich der Einstellbereich As aus folgender Formel:

AS = ( fobj ) ² [ ( l/fvOE,min ) ^~ ( l/fvOE,max ) ]

[0061] Damit kann also über die Auswahl einer geeigneten Brennweite fobj des Objektivs 30 der Einstellbereich As 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.

[0062] 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 StrahltaiUendurchmesser auf das V2-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 As 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. [0063] In Figur 2 ist beispielsweise die Brennweite fobj des Objektivs 30 relativ kurz gewählt, folglich ist der Fokus-Einstellbereich As relativ kurz. In Figur 3 und Figur 4 sind dagegen Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen die Brennweite fobj des Objektivs 30 deutlich länger gewählt ist. Damit ist auch der Einstellbereich As viel größer, obwohl der Brennweiten- Einstellbereich des variablen optischen Elements 20 genauso groß ist wie in Figur 2. [0064] 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.

[0065] 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.

[0066] 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.

[0067] 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 As 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.

[0068] 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.

[0069] 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 As im reellen Bildraum hinter dem Objektiv 30 liegt. Es soll jedoch wenigstens etwa die Hälfte des Einstellbereichs As 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 1/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 Figur 3 gezeigte Ausfuhrungsbeispiel 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.

[0070] 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. Figur 9 zeigt die Lage der Hauptflächen bei einem Objektiv 30 in Retrofokus-Bauweise mit einer ersten Linsengruppe 35 und einer zweiten Linsengruppe 36. Die Figuren 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 As 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 As zu erzielen. [0071] Im Folgenden werden weitere Ausfuhrungsformen und Fortbildungen der Erfindung dargestellt.

[0072] 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 As 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 Figur 3. Um auch in solchen Situationen die Strahl-Kaustik vollständig abtasten zu können, werden weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgeschlagen. [0073] 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 As um einen gewissen Betrag axial verschoben. Hat die Linse 60 zur Divergenz-Anpassung eine negative Brechkraft, dann wird der Fokus-Einstellbereich As in Strahlrichtung nach hinten verschoben. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Figur 5 dargestellt.

[0074] Die Brechkraft der Linse (LD) 60 zur Divergenz-Anpassung kann auch positiv sein. Dadurch wird der Einstellbereich As 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. Figur 7 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel mit einer positiven Linse 60 zur Divergenz- Anpassung.

[0075] 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.

[0076] Bei einer dritten Ausfuhrungsform 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. Figur 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 Absorbern 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. [0077] Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr können die Merkmale einzelner Ausfuhrungsformen 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. [0078] 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 As erzielt werden.

• Die für die korrekte Bestimmung der Strahlparameter und für die Umrechnung der Parameter auf die objektsei tigen Strahlparameter erforderliche Kalibration der Vorrichtung ist einfacher und weniger fehleranfällig als bei Vorrichtungen mit variierender Gesamt-Brenn weite.

• 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 As 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.

[0079] 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.

[0080] 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.

[0081] 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. Bezugszeichenliste

10 Zu vermessender Lichtstrahl

11 Strahltaille des zu vermessenden Lichtstrahls

15 Optische Achse

17 Fokussierter Lichtstrahl

18 Strahltaille bzw. Fokuslage des fokussierten Lichtstrahls

20 Variables optisches Element mit einstellbarer Brennweite

22 Bildseitige Hauptfläche des variablen optischen Elements

25 Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei größter Brechkraft

26 Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei mittlerer Brechkraft

27 Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei kleinster Brechkraft

30 Objektiv

31 Objektseitige Hauptfläche des Objektivs

32 Bildseitige Hauptfläche des Objektivs

33 Objektseitiger Brennpunkt des Objektivs

34 Bildseitiger Brennpunkt des Objektivs

35 Erste Linsengruppe des Objektivs

36 Zweite Linsengruppe des Objektivs

45 Vordere Endlage A des Fokus-Einstellbereichs

46 Mittlere Position B des Fokus-Einstellbereichs

47 Hintere Endlage C des Fokus-Einstellbereichs

50 Ortsauflösender Detektor

60 Linse zur Divergenz- Anpassung

70 Strahlteiler

74 Strahlfalle (Absorber)