WO2017080540A1 - Beam analysis device and method using a variable optical element - Google Patents

Beam analysis device and method using a variable optical element Download PDF

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WO2017080540A1
WO2017080540A1 PCT/DE2016/000384 DE2016000384W WO2017080540A1 WO 2017080540 A1 WO2017080540 A1 WO 2017080540A1 DE 2016000384 W DE2016000384 W DE 2016000384W WO 2017080540 A1 WO2017080540 A1 WO 2017080540A1
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WO
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optical element
objective
lens
variable optical
focal length
Prior art date
Application number
PCT/DE2016/000384
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German (de)
French (fr)
Inventor
Reinhard Kramer
Otto MÄRTEN
Stefan Wolf
Roman Niedrig
Original Assignee
Primes Gmbh
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G01J2001/4261Scan through beam in order to obtain a cross-sectional profile of the beam

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for beam analysis of light rays.
  • the invention is suitable for the rapid and accurate determination of geometric parameters such as the beam diameter, the beam parameter product or the beam propagation factor.
  • the apparatus and method can be used for beam analysis of laser beams.
  • Geometric parameters of a light beam or a laser beam are important parameters for characterizing the beam. Such parameters may be, for example, the beam diameter, the beam profile, or the beam parameter product.
  • the beam parameter product describes the product of radius of the beam waist and opening angle of the beam and is therefore a measure of the focusability of a light beam or laser beam.
  • Other measures or terms for the same thing are the beam quality, the beam quality index, the beam propagation factor, the mode factor, or the diffraction metric.
  • Beam parameters must be measured at regular time intervals for quality control in many production processes using light beams. The definitions and mathematical relationships for the determination of geometric parameters of a light beam are described in ISO 11146. For a complete determination of a beam which also includes the propagation properties, scanning of the beam in multiple planes along the beam is required. The most accurate results are expected when the beam is scanned over a distance of several Rayleigh lengths in the region of its beam waist.
  • a basic possibility for measurement exists for example, to direct the beam directly or indirectly at a spatially resolving sensor or detector, for example a CCD camera, and in this way to determine the intensity distribution in the cross section of the beam. From this data, further information such as the beam diameter, the beam profile or the position of the beam can be derived or calculated.
  • Another possibility is to scan the intensity distribution in a plane with an approximately punctiform detector in a raster motion, eg line by line.
  • a spatially resolving sensor has the advantage over the raster scanning that the recording of the intensity distribution in a plane only requires a very short measuring time. A short measurement time is important if the intensity distribution in several different planes is to be scanned in order to determine the total beam parameter or the beam propagation factor.
  • various methods and devices are known.
  • the spatially resolving sensor can be placed on a linear guide, so that the scanning unit can be moved in the axial direction along the beam.
  • the beam waist of the light or laser beam is not directly accessible, or the beam is collimated, so that the Rayleigh length of the beam is very large and scanning across several Rayleigh lengths around the beam waist does not possible or impractical.
  • the scanning of the beam and subsequent determination of the geometric parameters of the beam then delivers the image-side beam parameters, these can be converted into the object-side parameters via the imaging equations of the lens.
  • the conversion of the beam parameters can be simplified in that not only the sensor is placed on a linear guide, but also the focusing lens is arranged together with the sensor on the same Linearschreibung, so that the distance between the lens and the sensor is constant, and for scanning the beam, the lens and the sensor are displaced axially relative to the light beam. In this case will in a sense, the object-side plane conjugate to the image-side sensor plane is virtually driven through the original beam.
  • a disadvantage of all of the aforementioned systems and methods is that a precise and mechanically complex linear guide is needed and relatively large masses must be moved. Thus, the positioning time for setting different measurement levels can not be arbitrarily reduced.
  • a device is proposed in WO 2011/127400 A2, in which the light beam to be measured is divided by means of partially transmissive mirror into a plurality of parallel partial beams, each with different path lengths laterally offset hit the same sensor, so that a simultaneous recording multiple beam cross sections is possible.
  • a disadvantage of this device is that the individual beam cross sections share the same sensor and therefore the area available for a single beam cross section and thus the pixel resolution is reduced by a considerable factor.
  • the device shown there consists of a variable lens and a sensor.
  • the variable lens for example, an electro-optical lens or a pressure-controllable fluid lens is proposed, whose focal length can be set variably.
  • the moving mass when changing the focal length of the variable lens is very small.
  • the image-side beam waist can be adjusted very quickly axially and beam cross sections in different planes can be quickly taken in a row.
  • the disadvantage is that due to the variable focal length, the image-side parameters of the beam depend on the focal length and thus also be changed.
  • An evaluation of the data according to the formulas defined in ISO 11146 is therefore not directly possible. Rather, a modified formula must be used for the evaluation (compare second formula in column 4 of US Pat. No. 8,736,827 B2). Because of the variable focal length, a relatively complex calibration of the device is required. This limits the accuracy of the method.
  • the adjustment range of the focal length is limited by design and set to a specific range.
  • the range required to pass through multiple Rayleigh lengths may vary depending on the parameters of the one being measured Beam, be greater than the focal length adjustment range.
  • the Rayleigh length of the focused beam is very short, and therefore the required adjustment range is very short, but a high accuracy and reproducibility of the focal length adjustment in a very small area is required.
  • the usability of the device disclosed in US Pat. No. 8,736,827 B2 can be clearly restricted.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method and apparatus for beam analysis, in which several different cross-sectional planes of a light beam can be measured in a very short time, and allow a determination of beam parameters of the light beam with high accuracy ,
  • an apparatus for determining geometric parameters of a light beam which comprises a variable optical element, a lens, and a spatially resolving detector.
  • the variable optical element has an adjustable focal length and an image-side major surface
  • the objective has a constant focal length and an object-side major surface.
  • the distance between the image-side major surface of the variable optical element and the object-side main surface of the objective is equal to the constant focal length of the objective with a deviation of at most +/- 5%.
  • the objective is connected downstream of the variable optical element in the beam direction.
  • the spatially resolving detector is connected downstream of the objective in the beam direction.
  • the device in which the relative positions of the light beam, the variable optical element, the lens and the spatially resolving detector are stationary relative to each other.
  • the total focal length of the system consisting of the variable optical element and the lens is equal to the constant focal length of the lens with a maximum deviation of +/- 5%.
  • variable optical element comprises a fluid lens
  • variable optical element comprises an adaptive lens.
  • variable optical element comprises an adaptive mirror.
  • a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element.
  • the objective comprises a first lens group and a second lens group.
  • the first lens group of the objective may have a negative refractive power
  • the second lens group of the objective may have a positive refractive power
  • the constant focal length of the objective Lens has a positive overall value
  • a method for the determination of geometric parameters of a light beam comprises the method steps listed below.
  • An opening angle of the light beam is changed by means of a variable optical element having an adjustable focal length and an image-side major surface.
  • the light beam changed by the variable optical element with respect to the opening angle is focused by means of a lens having a constant focal length and an object-side major surface.
  • the adjustable focal length of the variable optical element is changed.
  • At least three are successively set different focal lengths.
  • Intensity distributions of the light beam focused by the lens are registered by means of a spatially resolving detector, which is arranged in the beam direction behind the objective. At each of the at least three different set focal lengths, an intensity distribution is registered in each case.
  • a geometric parameter of the light beam is determined from the registered intensity distributions.
  • the distance between the image-side major surface of the variable optical element and the object-side major surface of the objective is equal to the constant focal length of the objective with a deviation of at most +/- 5%.
  • determining a geometric parameter of the light beam from the registered intensity distributions comprises determining a beam propagation factor of the light beam.
  • Figure 1 A known from the prior art device for
  • Beam analysis of a light beam with a variable lens with adjustable focal length by means of which a beam is focused and an axially adjustable focus position is generated, and with a sensor which is arranged in the region of the adjustable focus position.
  • Figure 2 A schematic representation of a first embodiment of
  • FIG. 1 A schematic representation of an embodiment of the invention similar to the embodiment shown in Figure 2. In this embodiment, the lens has a relatively long focal length. The focus adjustment range is only partially in the real image area of the lens.
  • Figure 4 A schematic representation of another embodiment of the
  • the light beam is not collimated in this example, but has a focus or beam waist in front of the device and then spreads divergently.
  • the focus adjustment range can be completely in the real image area of the lens.
  • Figure 5 A schematic representation of a second embodiment of the
  • a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element.
  • the lens for divergence adjustment has a negative refractive power in this embodiment. This moves the focus adjustment range backwards.
  • Figure 6 A schematic representation of another embodiment of the
  • the lens comprises a first one
  • Lens group and a second lens group which together form a lens in retrofocus construction, which has a rearwardly displaced main surface and thus the focus adjustment range is shifted to the rear.
  • Figure 7 A schematic representation of an embodiment of the second
  • Embodiment of the invention wherein a lens for divergence adjustment in the beam direction in front of the variable optical element is arranged.
  • the lens for divergence adjustment has a positive refractive power and allows the analysis of rays that are not collimated or have a focus or a beam waist relatively close to the device.
  • Figure 8 A schematic representation of a third embodiment of
  • the original light beam is transmitted by means of a beam Attenuator device is attenuated.
  • a beam Attenuator device is attenuated.
  • two beam splitters are shown for this purpose, each of which reflects a small part of the power of the light beam and in each case transmits a larger part of the power of the light beam.
  • the transmitted portion of the power of the light beam is absorbed by absorbers or beam traps.
  • Figure 9 representation for determining the position of the main surfaces of a composite of two lens groups lens in retrofocus construction.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a known from the prior art apparatus for beam analysis with a variable optical element 20, for example a variable lens LV, and with a spatially resolving detector 50.
  • the light beam 10 to be measured by the variable lens LV focused.
  • the focal length of the variable lens LV is adjustable in a range between a minimum focal length fLv, A and a maximum focal length fLv.c-
  • the light beam 10 to be measured is collimated, ie the lines representing the light beam 10 are parallel to the optical axis 15.
  • the focus 18 of the light beam 17 focused by the variable lens LV is just at the focal point of the variable lens LV.
  • the focus 18 of the focused light beam 17 is axially displaced along an adjustment range As along the optical axis 15.
  • the focus adjustment range As is equal to the focal length adjustment range f L v, A to f L v , c of the variable lens LV.
  • the position-resolving detector 50 is positioned, preferably approximately in the middle of the adjustment range As.
  • the focus or the beam waist 18 of the focused beam 17 can be positioned in an axial region on both sides of the detector 50, ie, before and virtually behind the spatially resolving detector 50.
  • a series of intensity distributions in different cross-sectional planes of the focused beam 17 can be recorded by the detector 50.
  • the beam diameter for each cross-sectional plane can be calculated from the intensity distributions.
  • the propagation factor of the beam can be determined.
  • the focused beam 17 has a beam waist 18, ie an axial position at which the beam diameter is minimal. This axial position may, as in the example shown in FIG. 1, be the focus position of the focused beam 17.
  • the diameter of the beam waist of the light beam 17 focused by the variable lens LV depends on the respectively set focal length of the variable lens LV, that is, the magnification of the device changes over the adjustment range As.
  • the beam parameters of the focused light beam 17, in particular the beam waist diameter and the opening angle, are therefore not constant, but change with the set focal length. Because of this varying magnification of the measuring device, the evaluation of the measured beam diameters in different cross-sectional planes for determining a propagation factor can not take place according to the usual formulas described in ISO 114614. Furthermore, a conversion of the measured image-side beam parameters to the searched object-side parameters of the original beam is required. Not only the variable focal length of the variable lens LV, but also the distance of the spatial resolution detector 50 to the variable lens LV affect the measurement results.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first possible embodiment of the invention.
  • the light beam 10 to be measured strikes a variable optical element (VOE) 20 with an adjustable focal length.
  • the variable optical element 20 does not image the light beam 10 onto a spatially resolving detector 50, but adjustably varies the aperture angle, ie, the divergence angle or the convergence angle of the light beam. Between the variable optical element 20 and the detector 50, an objective 30 is arranged.
  • the objective 30 focuses the light beam so that a beam waist 18 of the focused light beam 17 is generated in an adjustment range As.
  • the spatial resolution detector 50 is disposed within the adjustment range As so that, as the focal length of the variable optical element 20 changes, the beam waist 18 can be displaced around the detector 50 in an axial range. In this way, successively several different cross sections of the beam 17 can be scanned quickly in succession.
  • the distance between the variable optical element 20 and the objective 30 is approximately the focal length of the objective 30. More specifically, the distance between the image-side major surface H ' VOE 22 of the variable optical element 20 and the object-side major surface H 0 bj 31 of the objective 30 approximately equal to the focal length fb of the lens j 30.
  • the magnification and the magnification of the beam waist 18 is not dependent on the focal length of the variable optical element twentieth This can be seen from the identical opening angles of the beam cone of the focused light beam 17 in the three beams exemplarily shown in FIG. 2 for different focal lengths of the variable optical element 20.
  • the focal length of the objective 30 is relative short, so that the adjustment range As of the beam waist 18 with the positions A, B and C of the focal positions 45, 46, 47 shown by way of example lies completely in the image space behind the objective 30.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the first embodiment of the invention.
  • the focal length of the objective 30 is chosen to be relatively long.
  • the adjustment range As is significantly greater than in the case of a short focal length of the objective 30, on the other hand it may happen that the adjustment range As of the beam waist 18 no longer lies completely in the image space behind the objective 30.
  • the scanning range of the focused beam 17 accessible to the detector 50 can be restricted.
  • an embodiment of the first embodiment of the invention is similar to that shown in Figure 3.
  • the light beam 10 to be measured is not collimated here, but rather has a focus or a beam waist 11 relatively close in front of the device and subsequently spreads divergently.
  • Such an application is typical for the measurement of a laser beam 10, which was previously focused by a processing optics.
  • the processing optics is not shown here, as this is not part of the measuring device.
  • the adjustment range As of the beam waist 18 lies completely in the image space behind the objective 30.
  • a divergence adjustment lens LD 60 is disposed in front of the variable optical element 20.
  • the lens for divergence adjustment 60 has a negative refractive power, whereby the previously collimated light beam 10 is divergent.
  • the adjustment range As of the beam waist 18 is displaced to the rear and lies completely in the real image space behind the objective 30.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the first embodiment of the invention.
  • the objective 30 is composed of a first lens group 35 and a second lens group 36.
  • the first lens group 35 has a negative refractive power and the second lens group 36 has a positive refractive power.
  • the first lens group 35 and the second lens group 36 together form a retrofocus-type objective 30 having a rearwardly displaced main surface.
  • the adjustment range As of the beam waist 18 is also displaced to the rear and can lie completely in the real image space behind the objective 30.
  • FIG 7 a further embodiment of the second embodiment of the invention is shown, in which a lens 60 for divergence adjustment in the beam direction in front of the variable optical element 20 is arranged.
  • the focus adjustment area As of the beam waist 18 may be displaced relatively far backward.
  • the divergence adjustment lens 60 With the divergence adjustment lens 60, a refractive power offset is added to the adjustable refractive power of the variable optical element 20, thereby adjusting the adjustment range As by one certain amount is shifted axially.
  • the divergence adjustment lens 60 has a positive refractive power, so that the adjustment range As is moved closer to the objective.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment with a device for beam attenuation.
  • the device for beam attenuation consists in this embodiment of two beam splitters 70, which are arranged in front of the variable optical element. Each beam splitter 70 reflects a small portion of the light beam 10, so that after two reflections, the light beam 10 has a substantially reduced intensity.
  • the two beam splitters 70 are arranged spatially so that the reflection planes are rotated by 90 ° to each other, a very precise polarization-independent attenuation can be achieved by means of this device.
  • the superfluous beam portions transmitted by the beam splitters can be picked up by beam traps or absorbers 74.
  • Figure 9 illustrates the location of the major surfaces and the focal points in a composite of two lens groups 35, 36 retrofocus lens.
  • a lens is exemplified in the embodiments of the invention in Figures 6, 7 and 8 as a lens 30.
  • the object-side main surface 31 is where the rays emanating from the object-side focal point 33 would meet with the rays parallel to the axis after imaging by the objective 30, if the rays are virtually extended (shown in the upper part of FIG. 9).
  • the image-side major surface 32 is located where the paraxial rays would meet with the rays passing through the image-side focal point 34 after imaging through the objective 30, if the rays are virtually extended (lower part of FIG. 9).
  • the main surfaces 31, 32 are thus the surfaces on which one can imagine the refractive effect of all elements of the objective 30 reduced to one surface.
  • the main surfaces 31, 32 are moved very far to the rear. This is advantageous in the embodiments of the invention in Figures 6, 7 and 8, in spite of a very large focal length of the lens 30 has a compact To realize design.
  • the objective Because of the rearwardly displaced main surface 31, the objective must be arranged very close behind the variable optical element 20 in order to fulfill the distance condition between the variable optical element 20 and the objective 30 (see FIGS. 6, 7, 8). , This also contributes to a compact construction.
  • variable optical element 20 has an adjustable focal length, which can be varied by means of a manipulated variable between a minimum focal length and a maximum focal length.
  • the refractive power of an optical element is equal to the reciprocal focal length of the optical element, that is, the minimum adjustable focal length corresponds to a maximum refractive power, and the maximum adjustable focal length corresponds to a minimum refractive power.
  • the variable optical element 20 further has an image-side major surface H ' VOE 22.
  • the image-side main surface of a lens is a virtual surface on which the refraction of axially parallel rays would take place, if one considers the refraction usually taking place at several optical interfaces of a lens reduced to one surface.
  • the distance of the intersection between the image-side major surface of a lens and the optical axis to the image-side focal point of the lens is therefore equal to the focal length of the subject lens.
  • the objective 30 has a constant focal length fo bj and an object-side main surface H 0 bj 31.
  • the objective 30 is arranged in the beam direction behind the variable optical element 20 at a defined distance from the variable optical element 20.
  • the distance H'VOE Ho b j from the image-side major surface H ' VOE 22 of the variable optical element (VOE) 20 to utilisesei main surface Ho bj 31 of the lens 30 should be approximately equal to the focal length fo bj of the lens 30.
  • the position of the image-side major surface H ' VOE 22 of the variable optical element 20 can, for example, when using a fluid lens with variable center thickness, vary in a small range. This variation can typically be from a few 1/10 mm to a few mm. Therefore, it is intended to allow a small deviation from the ideal distance condition between the variable optical element VOE 20 and the objective 30.
  • the distance H ' VOE Ho b j between the image-side main plane H ' VOE 22 of the variable optical element 20 and the object-side main surface Ho bj 31 of the objective 30 should be in a range of 0.95 * fobj ⁇ H'VOE Hobj ⁇ 1.05 * fobj lie. In other words, the distance between the major surfaces H ' VOE Ho bj should be equal to the focal length fo b j of the objective 30 with a maximum deviation of + 1-5%.
  • the spatial resolution detector 50 is a photosensitive sensor that can register the local light intensity.
  • spatially resolving means that the sensor does not register a single measured value integrally over its entire surface but has a plurality of cells distributed over the surface and can thus register a two-dimensional lateral light distribution
  • the spatial resolution detector 50 records the intensity distribution of the focused light beam 17 in a cross-sectional plane of the light beam 17.
  • the position-sensitive detector 50 is at a distance from the objective 30 arranged, in which by varying the focal length of the variable optical element 20, the beam waist 18 of the focused light beam 17 both before (eg front end position A, 45, the focus adjustment range As) and virtually behind the position-resolving detector 50 can be positioned (eg rear Final Stor e C, 47, the focus adjustment range As). Due to the features of the invention results in a special operation of the device.
  • the light beam 10 to be measured is incident on the variable optical element (VOE) 20.
  • the variable optical element 20 influences the light beam 10 such that the aperture angle of the beam cone of the light beam 10 is changed due to the refraction by the variable optical element 20.
  • the opening angle of the beam cone is influenced more or less.
  • the beam 10 to be measured is collimated and, after being influenced by the variable optical element 20, converges, the convergence angle (or angle of oscillation) depending on the set focal length or refractive power of the variable optical element 20.
  • FIG. 2 shows three beams which represent the refracted beam at minimum, average and maximum refractive power. Subsequently, the light beam 10 influenced by the variable optical element 20 is focused by the objective 30.
  • an adjustable axial position for example, A, B or C
  • the ⁇ fmungswinkel or convergence angle of the focused light beam constant. This is equivalent to that the total focal length of the system composed of the variable optical element 20 and the objective 30 is constant, although the focal length and the refractive power of the variable optical element VOE 20 may have different values.
  • fi is the focal length of the first lens 1
  • f 2 is the focal length of the second lens 2
  • e is the distance of the two lenses.
  • the lens 30 with the focal length fobj corresponds to the second lens 2
  • the distance e of the lenses is optically accurately formulated , the distance of the image-side main surface of the first lens 1 to the object-side main surface of the second lens 2.
  • This distance e should be according to the invention approximately equal to the focal length fo bj of the lens 30. It follows: fG - fvOE fobj / (fvOE + fobj ⁇ ⁇ )
  • the overall focal length fo is thus approximately equal to the focal length of the lens 30 and thus independent of the focal length of the variable optical element (BOE) 20. Due to the constant total focal length the diameter of the beam waist 18 is constant over the entire adjustment range As. The beam parameters of the focused light beam 17 are therefore constant and do not change when the axial position of the beam waist 18 is adjusted. The propagation factor or the beam parameter product can therefore be determined from the beam radii in the different cross-sectional planes of the light beam in accordance with the procedure according to ISO 1146 ,
  • the distance H ' VOE Hobj between the image-side major surface of the variable optical element 20 and the object-side major surface of the objective 30 should be equal to the focal length fobj of the objective 30 with a maximum deviation of + 1-5%. This maximum deviation has only a small effect on the constancy of the total focal length or on the magnification of the system; their fluctuations then typically amount to at most a few percent.
  • the constancy of the focal length of the system composed of the variable optical element 20 and the objective 30 is a favorable property.
  • a further advantageous feature results from the fact that the constant focal length of the composite system is equal to the focal length of the objective 30.
  • the size of the beam waist 18 of the focused beam 17 can be adjusted to a desired value irrespective of the fixed focal length adjustment range of the variable optical element 20 to provide the metrological resolution in recording the intensity distributions in the cross-sectional planes of the light beam 17 to optimize.
  • the adjustment range As can be adjusted to the desired or required range without being limited by the fixed focal length adjustment range fvoE.min to fvoE.max of a variable optical element 20 ,
  • the Rayleigh length is the distance from the beam waist where the beam diameter has increased to V2 times the beam diameter. At a distance of a Rayleigh length from the beam waist, the intensity of the beam has fallen by half for Gaussian beams. With a large diameter of the beam waist and a small aperture angle or divergence angle of the beam, the Rayleigh length can be very large. Conversely, the Rayleigh length is very small with a small diameter of the beam waist and a large aperture angle. It is therefore desirable for the most accurate possible measurement of the beam parameters to be able to adapt the adjustment range As of the device to the radiation to be measured.
  • the focal length of the objective 30 is selected to be relatively short, and consequently the focus adjustment range As is relatively short.
  • FIGS. 3 and 4 embodiments are shown in which the focal length fobj of the objective 30 is chosen to be significantly longer.
  • the setting range As is also much larger, although the focal length setting range of the variable optical element 20 is the same as in FIG. 2. It is further found that the adjustment of the axial position of the beam waist 18 of the focused light beam is proportional to the change in the refractive power of the variable optical element 20.
  • a fluid lens may be used as a variable optical element 20.
  • a fluid lens is offered, for example, by the company Optotune AG under the product name EL 10-30 as "Fast Electrically Tunable Lens.”
  • an electrically controllable actuator presses on a container which is filled with an optical fluid and with a Depending on the pressure in the container, the elastic membrane is more or less curved, so the focal length of the lens is controlled by the electrical current applied to the actuator, and the manufacturer gives a roughly linear relationship between the electric current and the refractive power of the lens.
  • variable optical element 20 Any other lenses with adjustable focal length can also be used as the variable optical element 20.
  • adaptive lenses are possible in which the refractive power can be set by means of actuators; Fluid lenses in which an interface can be electrostatically adjusted; or adaptive mirrors in which the curvature can be adjusted by a pressure chamber or by actuators.
  • the list is to be understood as an example; the invention is not limited to the said types of variable optical elements.
  • the beam waist 18 of the focused light beam 17 is displaced by adjusting the focal length of the variable optical element 20 at three different axial positions, so that the spatially resolving detector 50 three different cross-sectional planes of the beam 17 come to rest.
  • the three adjusted positions of the beam waist 18 can However, any other three positions may be within the adjustment range As of the beam waist 18, and more than three positions may be selected.
  • the spatially resolving detector 50 In order to obtain the most accurate results, it is favorable, on the one hand, to select the setting positions of the beam waist 18 equidistantly and, on the other hand, to select an approximately equal number of positions in front of and behind the spatially resolving detector 50.
  • the intensity distribution of the focused light beam 17 is registered by the spatially resolving detector 50. From the registered intensity distributions, the respective beam radii or beam diameters can be determined. Plotting the ray radii over the axial position gives the envelope or caustics of the beam 17, and the propagation factor or beam parameter product can be calculated therefrom.
  • the objective 30 may consist of a single lens.
  • the single lens may be an aspherical lens. Reduction of aberrations can also be achieved by using multiple lenses. It is therefore also envisaged that the objective 30 is composed of several lenses.
  • the spatially resolving detector 50 can be arranged approximately in the vicinity of the central focus position B, 46. From the requirement of a real image position at the middle focus position B, 46, the beam waist 18, a restriction in the choice of the focal length fobj of the lens 30 may result if the lens 30 consists of only a single thin lens, in which the object-side Main surface is typically within the lens (eg in a biconvex lens).
  • the average refractive power in this example is about 12 dpt, corresponding to a focal length of 83 mm.
  • the lens 30 with a single Lens When the lens 30 with a single Lens then has a focal length of for example 100 mm and therefore would have to be placed about 100 mm behind the variable optical element, then the image position at the middle focus position (B) 46 of the beam waist 18 is not in the real area behind the lens 30.
  • Das The exemplary embodiment shown in FIG. 3 corresponds approximately to the mentioned numerical example.
  • this limitation on the focal length of the objective 30 is overcome because not only single lenses can be used as the objective 30 according to the present invention, but also other types of the objective 30 are provided in which the major surfaces are not within the objective or lenses of the objective must lie.
  • the objective 30 comprises a first lens group 35 and a second lens group 36. Both lens groups 35, 36 together form the objective 30.
  • the first lens group 35 may consist of a single lens or may comprise a plurality of lenses.
  • the second lens group 36 may also consist of a single lens or comprise a plurality of lenses.
  • the first lens group 35 may have a negative focal length
  • the second lens group 36 may have a positive focal length
  • the lens 30 composed of both lens groups 35, 36 has a positive focal length.
  • retrofocus construction A retrofocus lens has an image section that is larger than the focal length of the lens. The image-side main surface H 'is therefore shifted backwards into the image space.
  • the position of the object-side main surface H is essential.
  • the position of the object-side main surface is also shifted to the rear with a retrofocus lens.
  • FIG. 9 shows the position of the main surfaces in a retro-focus-type objective 30 with a first lens group 35 and a second lens group 36.
  • FIGS. 6, 7 and 8 show exemplary embodiments of the invention with an objective 30 designed as a retrofocus objective.
  • the retrofocus Construction of the objective 30 may be advantageous in several respects.
  • the position of the adjustment range As can be shifted backwards. Furthermore, this significantly shortens the distance between the objective 30 and the variable optical element 20, thereby reducing the size of the device.
  • a very large focal length of the objective 30 can be realized in order to achieve a large adjustment range As.
  • further embodiments and further developments of the invention are shown.
  • a lens (LD) 60 for divergence adjustment.
  • LD lens
  • a refractive power offset is generated and thereby the entire focus adjustment range As is displaced axially by a certain amount. If the divergence adjustment lens 60 has a negative refractive power, the focus adjustment area As is shifted rearward in the beam direction.
  • FIG. 1 A corresponding embodiment is shown in FIG.
  • the refractive power of divergence adjustment lens (LD) 60 may also be positive. As a result, the adjustment range As of the beam waist 18 is shifted toward the front, closer to the objective 30. This may be advantageous in the measurement of light rays 10 having a relatively high divergence and a beam waist 11 near the measuring device.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment with a positive lens 60 for divergence adaptation.
  • the lens (LD) 60 for divergence adjustment may also be a variable lens whose focal length or power can be varied.
  • a device can be provided which can be flexibly adjusted to many geometric configurations of the beam 10 to be measured. Thereby, the measurement of convergent, divergent and collimated beams 10 and beams with different layers of the beam waist 11 is possible without having to make a conversion of the device.
  • It will only the focal length of the divergence adjustment lens 60 is properly adjusted to the respective beam 10, eg, such that the beam 10 is collimated to the divergence adjustment lens 60.
  • the focal length or refractive power of the divergence adjustment variable lens 60 is constant; In order to vary the position of the beam waist 18 during the beam measurement, the focal length or refractive power of the variable optical element 20 is changed.
  • the invention further comprises a device for beam attenuation.
  • the device for beam attenuation may comprise, for example, a filter glass or a neutral density glass, also called gray glass.
  • the device for attenuation may also consist of a pair of polarizing filters with mutually adjustable angle.
  • the attenuator may also include one or more beam splitters 70 which split the beam into a reflected and a transmitted beam, each having low intensities than the original beam.
  • the beam splitter 70 may be formed by an interface of an optical device such as a plane plate, a wedge plate or a prism.
  • the interface of the optical device may be uncoated or coated, for example provided with a dielectric coating.
  • FIG. 8 shows by way of example the device according to the invention with a device for beam attenuation, which consists of two beam splitters 70, which are arranged in front of the variable optical element 20.
  • a device for beam attenuation which consists of two beam splitters 70, which are arranged in front of the variable optical element 20.
  • Each beam splitter 70 reflects a small portion of the light beam 10, so that after two reflections, the light beam 10 has a substantially reduced intensity.
  • the beam portions transmitted by the beam splitters with the majority of the beam power are captured by beam traps or absorbers 74.
  • the two beam splitters 70 may be arranged spatially so that the reflection planes are rotated by 90 ° to each other.
  • a very precise polarization-independent attenuation can be achieved, which is also suitable for high beam intensities and high beam powers.
  • the invention is thus also applicable to the measurement of high power laser beams.
  • the device allows the rapid and precise adjustment of the axial position of the image-side beam waist 18 of a light beam 10 to be measured relative to a spatially resolving detector 50 without elements of the device must be stored axially movable.
  • the focal length of the overall optical system consisting of the variable optical element 20 and the objective 30 is constant and independent of the focal length of the variable optical element 20.
  • variable optical element 20 and objective 30 Due to the constant focal length or the constant imaging properties of the overall system consisting of variable optical element 20 and objective 30, the evaluation for the determination of propagation factors or beam parameter products can be carried out according to the formulas of ISO 11146.
  • the calibration of the device required for the correct determination of the beam parameters and for the conversion of the parameters to the subject beam parameters is simpler and less error-prone than with devices with varying total focal length.
  • the beam parameter product which is determined from the beam diameters measured at different cross-sectional planes, is independent of the exact axial positioning of the spatially resolving detector 50, thus reducing the number of potential systematic sources of error.
  • the focal length of the overall optical system can be chosen independently of the limitations of the variable optical element 20 in order to adapt the magnification or the diameter of the image-side beam waist 18 to the conditions of the light beams 10 or laser beams to be measured.
  • the focal length of the objective 30 can be suitably selected to realize a sufficiently large or small adjustment range As for the axial position of the image-side beam waist 18 irrespective of the predetermined focal length variation range of the variable optical element 20.
  • the change in the axial position of the image-side beam waist 18 is proportional to the refractive power change of the variable optical element 20 and is therefore approximately linearly dependent on the manipulated variable in the case of most of the variable optical elements 20.
  • Determining a geometric parameter of the light beam from the registered intensity distributions may also include determining the axial position of a beam waist or focus position 18 of the focused light beam 17. From the position of the image-side focus position 18, the axial position of the beam waist 11 of the original beam to be measured can be determined via the imaging equation of the overall system.
  • the invention is therefore also intended to control or monitor a focus position of a light beam or laser beam.
  • the monitoring of a focus position may be advantageous, for example, in a laser processing system to diagnose changes in the desired focus position of a processing laser beam. Such changes can be caused for example by thermal effects. Changes in the target focus position may also be caused by the laser beam itself due to absorption of the radiation by the processing optics.
  • the invention can be used for example for measuring laser beams. It can be measured laser beams emitted by beam sources. It is also possible to measure laser beams which are emitted by a beam guidance system, such as an optical fiber, or which are imaged or focused by laser processing optics, or which are imaged by beam shaping optics for shaping a desired beam geometry.
  • a beam guidance system such as an optical fiber, or which are imaged or focused by laser processing optics, or which are imaged by beam shaping optics for shaping a desired beam geometry.
  • the invention can also be used for on-line beam diagnosis, for example on a laser processing optical system which decouples a fraction of the laser beam by means of a beam splitter and makes it available at a diagnostic beam output.
  • the device according to the invention can be coupled to the diagnostic beam output of the laser processing optics.
  • the invention can also be integrated as a fixed component in the laser processing optics.
  • the laser processing optics may be, for example, a scanner optics. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
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Abstract

The invention relates to a device for analyzing light beams, said device allowing a quick and precise detection of geometric parameters of a light beam. For example, the beam parameter product or the beam propagation factor of a laser beam can be determined. The device comprises a variable optical element, an objective, and a spatially resolving detector. The variable optical element has an adjustable focal length and an image-side main surface, and the objective has a constant focal length and an object-side main surface. The distance between the image-side main surface of the variable optical element and the object-side main surface of the objective equals the constant focal width of the objective with a deviation of maximally +/- 5%. The objective is arranged downstream of the variable optical element in the beam direction, and the spatially resolving detector is arranged downstream of the objective in the beam direction. By changing the adjustable focal length of the variable optical element and by subsequently focusing the light beam through the objective, a focal point of the focused light beam can be variably adjusted in the axial direction with respect to the spatially resolving detector. The invention also relates to a method for the quick and precise detection of geometric parameters of a light beam.

Description

Titel: Vorrichtung und Verfahren zur Strahlanalyse mit einem variablen optischen Element  Title: Apparatus and method for beam analysis with a variable optical element
Anmelder: PRIMES GmbH, Max-Planck-Str. 2, 64319 Pfungstadt  Applicant: PRIMES GmbH, Max-Planck-Str. 2, 64319 Pfungstadt
Unser Zeichen: PRI-2016-W-3  Our sign: PRI-2016-W-3
BESCHREIBUNG DESCRIPTION
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
[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  The invention relates to an apparatus and a method for beam analysis of light rays. The invention is suitable for the rapid and accurate determination of geometric parameters such as the beam diameter, the beam parameter product or the beam propagation factor. The apparatus and method can be used for beam analysis of laser beams. BACKGROUND OF THE INVENTION
[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.  Geometric parameters of a light beam or a laser beam are important parameters for characterizing the beam. Such parameters may be, for example, the beam diameter, the beam profile, or the beam parameter product. The beam parameter product describes the product of radius of the beam waist and opening angle of the beam and is therefore a measure of the focusability of a light beam or laser beam. Other measures or terms for the same thing are the beam quality, the beam quality index, the beam propagation factor, the mode factor, or the diffraction metric. Beam parameters must be measured at regular time intervals for quality control in many production processes using light beams. The definitions and mathematical relationships for the determination of geometric parameters of a light beam are described in ISO 11146. For a complete determination of a beam which also includes the propagation properties, scanning of the beam in multiple planes along the beam is required. The most accurate results are expected when the beam is scanned over a distance of several Rayleigh lengths in the region of its beam waist.
[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. For sampling the intensity distribution in a cross-sectional plane of the light beam, various methods are known. A basic possibility for measurement exists for example, to direct the beam directly or indirectly at a spatially resolving sensor or detector, for example a CCD camera, and in this way to determine the intensity distribution in the cross section of the beam. From this data, further information such as the beam diameter, the beam profile or the position of the beam can be derived or calculated. Another possibility is to scan the intensity distribution in a plane with an approximately punctiform detector in a raster motion, eg line by line.
[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. The use of a spatially resolving sensor has the advantage over the raster scanning that the recording of the intensity distribution in a plane only requires a very short measuring time. A short measurement time is important if the intensity distribution in several different planes is to be scanned in order to determine the total beam parameter or the beam propagation factor. For scanning in several levels, in turn, various methods and devices are known. For example, the spatially resolving sensor can be placed on a linear guide, so that the scanning unit can be moved in the axial direction along the beam. In many cases, the beam waist of the light or laser beam is not directly accessible, or the beam is collimated, so that the Rayleigh length of the beam is very large and scanning across several Rayleigh lengths around the beam waist does not possible or impractical. In these cases, it is customary to first focus the beam by means of a lens or by means of a lens and to position the linear guide with the sensor in the focus area behind the lens. Although the scanning of the beam and subsequent determination of the geometric parameters of the beam then delivers the image-side beam parameters, these can be converted into the object-side parameters via the imaging equations of the lens. The conversion of the beam parameters can be simplified in that not only the sensor is placed on a linear guide, but also the focusing lens is arranged together with the sensor on the same Linearfuhrung, so that the distance between the lens and the sensor is constant, and for scanning the beam, the lens and the sensor are displaced axially relative to the light beam. In this case will in a sense, the object-side plane conjugate to the image-side sensor plane is virtually driven through the original beam.
[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. A disadvantage of all of the aforementioned systems and methods is that a precise and mechanically complex linear guide is needed and relatively large masses must be moved. Thus, the positioning time for setting different measurement levels can not be arbitrarily reduced.
[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. To solve the problem, a device is proposed in WO 2011/127400 A2, in which the light beam to be measured is divided by means of partially transmissive mirror into a plurality of parallel partial beams, each with different path lengths laterally offset hit the same sensor, so that a simultaneous recording multiple beam cross sections is possible. A disadvantage of this device is that the individual beam cross sections share the same sensor and therefore the area available for a single beam cross section and thus the pixel resolution is reduced by a considerable factor.
[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. Another solution to the problem is disclosed in US 8,736,827 B2. The device shown there consists of a variable lens and a sensor. For the variable lens, for example, an electro-optical lens or a pressure-controllable fluid lens is proposed, whose focal length can be set variably. The moving mass when changing the focal length of the variable lens is very small. In this way, the image-side beam waist can be adjusted very quickly axially and beam cross sections in different planes can be quickly taken in a row. The disadvantage is that due to the variable focal length, the image-side parameters of the beam depend on the focal length and thus also be changed. An evaluation of the data according to the formulas defined in ISO 11146 is therefore not directly possible. Rather, a modified formula must be used for the evaluation (compare second formula in column 4 of US Pat. No. 8,736,827 B2). Because of the variable focal length, a relatively complex calibration of the device is required. This limits the accuracy of the method.
[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. For variably adjustable lenses, the adjustment range of the focal length is limited by design and set to a specific range. The range required to pass through multiple Rayleigh lengths may vary depending on the parameters of the one being measured Beam, be greater than the focal length adjustment range. Conversely, it is also possible that the Rayleigh length of the focused beam is very short, and therefore the required adjustment range is very short, but a high accuracy and reproducibility of the focal length adjustment in a very small area is required. In both cases, the usability of the device disclosed in US Pat. No. 8,736,827 B2 can be clearly restricted.
[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. The known from the prior art devices and methods therefore have significant disadvantages in terms of resolution, accuracy, speed or with respect to the usability for a large parameter range.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
[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.  The invention is therefore an object of the invention to provide a method and apparatus for beam analysis, in which several different cross-sectional planes of a light beam can be measured in a very short time, and allow a determination of beam parameters of the light beam with high accuracy ,
[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. To achieve the object, an apparatus for determining geometric parameters of a light beam is proposed, which comprises a variable optical element, a lens, and a spatially resolving detector. At this time, the variable optical element has an adjustable focal length and an image-side major surface, and the objective has a constant focal length and an object-side major surface. The distance between the image-side major surface of the variable optical element and the object-side main surface of the objective is equal to the constant focal length of the objective with a deviation of at most +/- 5%. The objective is connected downstream of the variable optical element in the beam direction. The spatially resolving detector is connected downstream of the objective in the beam direction. By changing the adjustable focal length of the variable optical element and by subsequently focusing the light beam through the objective, a focus position of the focused light beam relative to the spatially resolving detector is variably adjustable in the axial direction.
[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%. There is provided an embodiment of the device in which the relative positions of the light beam, the variable optical element, the lens and the spatially resolving detector are stationary relative to each other. In one possible embodiment of the invention, the total focal length of the system consisting of the variable optical element and the lens is equal to the constant focal length of the lens with a maximum deviation of +/- 5%.
[0017] Es ist auch eine Ausfuhrungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der das variable optische Element eine Fluidlinse umfasst. There is also provided an embodiment of the device in which the variable optical element comprises a fluid lens.
[0018] Bei einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung umfasst das variable optische Element eine adaptive Linse. In a further embodiment of the invention, the variable optical element comprises an adaptive lens.
[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. In yet another embodiment of the invention, the variable optical element comprises an adaptive mirror. In a possible embodiment of the device, a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element.
[0021] Es ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, bei der das Objektiv eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe umfasst. An embodiment of the device according to the invention is provided in which the objective comprises a first lens group and a second lens group.
[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. In a possible embodiment of the invention with an objective comprising a first lens group and a second lens group, the first lens group of the objective may have a negative refractive power, and the second lens group of the objective may have a positive refractive power, and the constant focal length of the objective Lens has a positive overall value.
[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%. To solve the problem, a method for the determination of geometric parameters of a light beam is proposed, which comprises the method steps listed below. An opening angle of the light beam is changed by means of a variable optical element having an adjustable focal length and an image-side major surface. The light beam changed by the variable optical element with respect to the opening angle is focused by means of a lens having a constant focal length and an object-side major surface. The adjustable focal length of the variable optical element is changed. At least three are successively set different focal lengths. Intensity distributions of the light beam focused by the lens are registered by means of a spatially resolving detector, which is arranged in the beam direction behind the objective. At each of the at least three different set focal lengths, an intensity distribution is registered in each case. Finally, a geometric parameter of the light beam is determined from the registered intensity distributions. Here, the distance between the image-side major surface of the variable optical element and the object-side major surface of the objective is equal to the constant focal length of the objective with a deviation of at most +/- 5%.
[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. There is also provided a method in which the relative positions of the light beam, the variable optical element, the objective and the spatially resolving detector are mutually stationary.
[0025] Bei einem weiteren möglichen Verfahren umfasst das Ermitteln eines geometrischen Parameters des Lichtstrahls aus den registrierten Intensitätsverteilungen ein Ermitteln eines Strahlpropagationsfaktors des Lichtstrahls. In another possible method, determining a geometric parameter of the light beam from the registered intensity distributions comprises determining a beam propagation factor of the light beam.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
[0026] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:  The invention will be described in more detail with reference to the following figures, without being limited to the embodiments shown. It shows:
[0027] Figur 1 : Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Figure 1: A known from the prior art device for
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.  Beam analysis of a light beam with a variable lens with adjustable focal length, by means of which a beam is focused and an axially adjustable focus position is generated, and with a sensor which is arranged in the region of the adjustable focus position.
[0028] Figur 2: Eine schematische Darstellung einer ersten Ausfuhrungsform der Figure 2: A schematic representation of a first embodiment of
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. Invention with a variable optical element, with a lens, which is arranged behind the variable optical element, and with a spatially resolving detector. In this embodiment, the lens has a relatively short focal length. Figure 3: A schematic representation of an embodiment of the invention similar to the embodiment shown in Figure 2. In this embodiment, the lens has a relatively long focal length. The focus adjustment range is only partially in the real image area of the lens.
[0030] Figur 4: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Figure 4: A schematic representation of another embodiment of the
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.  Invention similar to the embodiment shown in Figure 3. The light beam is not collimated in this example, but has a focus or beam waist in front of the device and then spreads divergently. The focus adjustment range can be completely in the real image area of the lens.
[0031] Figur 5: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausfuhrungsform der Figure 5: A schematic representation of a second embodiment of the
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.  Invention in which a lens for divergence adjustment in the beam direction is arranged in front of the variable optical element. The lens for divergence adjustment has a negative refractive power in this embodiment. This moves the focus adjustment range backwards.
[0032] Figur 6: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Figure 6: A schematic representation of another embodiment of the
Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Objektiv eine erste Invention. In this embodiment, the lens comprises a first one
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 Lens group and a second lens group, which together form a lens in retrofocus construction, which has a rearwardly displaced main surface and thus the focus adjustment range is shifted to the rear. Figure 7: A schematic representation of an embodiment of the second
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.  Embodiment of the invention, wherein a lens for divergence adjustment in the beam direction in front of the variable optical element is arranged. In the embodiment shown here, the lens for divergence adjustment has a positive refractive power and allows the analysis of rays that are not collimated or have a focus or a beam waist relatively close to the device.
[0034] Figur 8: Eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Figure 8: A schematic representation of a third embodiment of
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. Invention in which the original light beam is transmitted by means of a beam Attenuator device is attenuated. By way of example, two beam splitters are shown for this purpose, each of which reflects a small part of the power of the light beam and in each case transmits a larger part of the power of the light beam. The transmitted portion of the power of the light beam is absorbed by absorbers or beam traps.
[0035] Figur 9: Darstellung zur Bestimmung der Position der Hauptflächen eines aus zwei Linsengruppen zusammengesetzten Objektivs in Retrofokus-Bauweise. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Figure 9: representation for determining the position of the main surfaces of a composite of two lens groups lens in retrofocus construction. DETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES
[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 fLv,A bis fLv,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. Figure 1 shows a schematic representation of a known from the prior art apparatus for beam analysis with a variable optical element 20, for example a variable lens LV, and with a spatially resolving detector 50. The light beam 10 to be measured by the variable lens LV focused. The focal length of the variable lens LV is adjustable in a range between a minimum focal length fLv, A and a maximum focal length fLv.c- In the example shown in Figure 1, the light beam 10 to be measured is collimated, ie the lines representing the light beam 10 are parallel to the optical axis 15. In this case, the focus 18 of the light beam 17 focused by the variable lens LV is just at the focal point of the variable lens LV. With the variation of the focal length of the variable lens LV, therefore, the focus 18 of the focused light beam 17 is axially displaced along an adjustment range As along the optical axis 15. In the example shown here, in which the light beam 10 is collimated, the focus adjustment range As is equal to the focal length adjustment range f L v, A to f L v , c of the variable lens LV. Within this adjustment range As, the position-resolving detector 50 is positioned, preferably approximately in the middle of the adjustment range As. Thus, the focus or the beam waist 18 of the focused beam 17 can be positioned in an axial region on both sides of the detector 50, ie, before and virtually behind the spatially resolving detector 50. Thus, a series of intensity distributions in different cross-sectional planes of the focused beam 17 can be recorded by the detector 50. Among other things, the beam diameter for each cross-sectional plane can be calculated from the intensity distributions. From the application of the beam diameter above the axial position in the beam, the propagation factor of the beam can be determined. The focused beam 17 has a beam waist 18, ie an axial position at which the beam diameter is minimal. This axial position may, as in the example shown in FIG. 1, be the focus position of the focused beam 17. The diameter of the beam waist of the light beam 17 focused by the variable lens LV depends on the respectively set focal length of the variable lens LV, that is, the magnification of the device changes over the adjustment range As. This manifests itself also at different opening angles of the beam cone of the focused light beam 17, as can clearly be seen in the three focal length settings shown in FIG. The beam parameters of the focused light beam 17, in particular the beam waist diameter and the opening angle, are therefore not constant, but change with the set focal length. Because of this varying magnification of the measuring device, the evaluation of the measured beam diameters in different cross-sectional planes for determining a propagation factor can not take place according to the usual formulas described in ISO 114614. Furthermore, a conversion of the measured image-side beam parameters to the searched object-side parameters of the original beam is required. Not only the variable focal length of the variable lens LV, but also the distance of the spatial resolution detector 50 to the variable lens LV affect the measurement results. The exact determination of the beam parameters therefore requires a complex calibration of the device. In many variable lenses is not the focal length, but the refractive power of the lens, so the reciprocal value of the focal length, approximately linearly dependent on a manipulated variable, such as an electric current. This has the consequence that the axial focus position depends non-linearly on the manipulated variable. In Figure 1, this is recognizable by the fact that the focus position B 46 for the average adjustable power 26 is not in the middle of the adjustment range As, but much closer to the focus position A, 45, at the largest adjustable power 25. The achievable axial resolution thus not constant within the setting range As.
[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 H0bj 31 des Objektivs 30 etwa gleich der Brennweite f bj 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. The varying magnification, the complex calibration, the required conversion to the beam parameters of the original beam 10 to be measured, as well as the fluctuating axial resolution make the device shown in Figure 1, known from the prior art and the associated methods error-prone and limited the achievable accuracy. FIG. 2 shows a schematic representation of a first possible embodiment of the invention. The light beam 10 to be measured strikes a variable optical element (VOE) 20 with an adjustable focal length. The variable optical element 20 does not image the light beam 10 onto a spatially resolving detector 50, but adjustably varies the aperture angle, ie, the divergence angle or the convergence angle of the light beam. Between the variable optical element 20 and the detector 50, an objective 30 is arranged. The objective 30 focuses the light beam so that a beam waist 18 of the focused light beam 17 is generated in an adjustment range As. The spatial resolution detector 50 is disposed within the adjustment range As so that, as the focal length of the variable optical element 20 changes, the beam waist 18 can be displaced around the detector 50 in an axial range. In this way, successively several different cross sections of the beam 17 can be scanned quickly in succession. The distance between the variable optical element 20 and the objective 30 is approximately the focal length of the objective 30. More specifically, the distance between the image-side major surface H ' VOE 22 of the variable optical element 20 and the object-side major surface H 0 bj 31 of the objective 30 approximately equal to the focal length fb of the lens j 30. the magnification and the magnification of the beam waist 18 is not dependent on the focal length of the variable optical element twentieth This can be seen from the identical opening angles of the beam cone of the focused light beam 17 in the three beams exemplarily shown in FIG. 2 for different focal lengths of the variable optical element 20. In the exemplary embodiment of a first embodiment of the invention shown in FIG. 2, the focal length of the objective 30 is relative short, so that the adjustment range As of the beam waist 18 with the positions A, B and C of the focal positions 45, 46, 47 shown by way of example lies completely in the image space behind the objective 30.
[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. FIG. 3 shows a further embodiment of the first embodiment of the invention. In contrast to the example shown in FIG. 2, the focal length of the objective 30 is chosen to be relatively long. As a result, on the one hand the adjustment range As is significantly greater than in the case of a short focal length of the objective 30, on the other hand it may happen that the adjustment range As of the beam waist 18 no longer lies completely in the image space behind the objective 30. As a result, the scanning range of the focused beam 17 accessible to the detector 50 can be restricted. In Figure 4, an embodiment of the first embodiment of the invention is similar to that shown in Figure 3. In contrast to FIG. 3, however, the light beam 10 to be measured is not collimated here, but rather has a focus or a beam waist 11 relatively close in front of the device and subsequently spreads divergently. Such an application is typical for the measurement of a laser beam 10, which was previously focused by a processing optics. The processing optics is not shown here, as this is not part of the measuring device. In the example shown in FIG. 4, due to the divergence of the beam 10, the adjustment range As of the beam waist 18 lies completely in the image space behind the objective 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. In the second embodiment of the invention shown in Figure 5, a divergence adjustment lens LD 60 is disposed in front of the variable optical element 20. In the embodiment shown here, the lens for divergence adjustment 60 has a negative refractive power, whereby the previously collimated light beam 10 is divergent. As a result, the adjustment range As of the beam waist 18 is displaced to the rear and lies completely in the real image space behind the objective 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. FIG. 6 shows a further embodiment of the first embodiment of the invention. In this embodiment, the objective 30 is composed of a first lens group 35 and a second lens group 36. In the illustrated embodiment, the first lens group 35 has a negative refractive power and the second lens group 36 has a positive refractive power. The first lens group 35 and the second lens group 36 together form a retrofocus-type objective 30 having a rearwardly displaced main surface. As a result, the adjustment range As of the beam waist 18 is also displaced to the rear and can lie completely in the real image space behind the objective 30.
[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. In Figure 7, a further embodiment of the second embodiment of the invention is shown, in which a lens 60 for divergence adjustment in the beam direction in front of the variable optical element 20 is arranged. When the light beam 10 to be measured has a relatively high divergence and a beam waist 11 near the measuring apparatus, the focus adjustment area As of the beam waist 18 may be displaced relatively far backward. With the divergence adjustment lens 60, a refractive power offset is added to the adjustable refractive power of the variable optical element 20, thereby adjusting the adjustment range As by one certain amount is shifted axially. In the exemplary embodiment illustrated here, the divergence adjustment lens 60 has a positive refractive power, so that the adjustment range As is moved closer to the objective. The analysis of beams 10 that are not collimated and have a focus or beam waist 11 relatively close to the device can thus be made with a compact device whose size is not unnecessarily long.
[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. A third embodiment of the invention is shown schematically in FIG. When measuring light beams 10 with high light intensity, for example laser beams, the spatially resolving detector 50 may possibly be overdriven. In such situations, it is beneficial to attenuate the beam. FIG. 8 shows an exemplary embodiment with a device for beam attenuation. The device for beam attenuation consists in this embodiment of two beam splitters 70, which are arranged in front of the variable optical element. Each beam splitter 70 reflects a small portion of the light beam 10, so that after two reflections, the light beam 10 has a substantially reduced intensity. If the two beam splitters 70 are arranged spatially so that the reflection planes are rotated by 90 ° to each other, a very precise polarization-independent attenuation can be achieved by means of this device. The superfluous beam portions transmitted by the beam splitters can be picked up by beam traps or absorbers 74.
[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. Figure 9 illustrates the location of the major surfaces and the focal points in a composite of two lens groups 35, 36 retrofocus lens. Such a lens is exemplified in the embodiments of the invention in Figures 6, 7 and 8 as a lens 30. The object-side main surface 31 is where the rays emanating from the object-side focal point 33 would meet with the rays parallel to the axis after imaging by the objective 30, if the rays are virtually extended (shown in the upper part of FIG. 9). The image-side major surface 32 is located where the paraxial rays would meet with the rays passing through the image-side focal point 34 after imaging through the objective 30, if the rays are virtually extended (lower part of FIG. 9). The main surfaces 31, 32 are thus the surfaces on which one can imagine the refractive effect of all elements of the objective 30 reduced to one surface. In the example shown, the main surfaces 31, 32 are moved very far to the rear. This is advantageous in the embodiments of the invention in Figures 6, 7 and 8, in spite of a very large focal length of the lens 30 has a compact To realize design. Because of the rearwardly displaced main surface 31, the objective must be arranged very close behind the variable optical element 20 in order to fulfill the distance condition between the variable optical element 20 and the objective 30 (see FIGS. 6, 7, 8). , This also contributes to a compact construction.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[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.  It is intended to provide a solution to the problem that known from the prior art devices for beam analysis require relatively complex devices for scanning multiple levels, require a long measurement time, have low accuracy, or are prone to systematic error sources , In contrast, an apparatus and a method for beam analysis are to be created, which allow a measurement of several different cross-sectional planes of a light beam in a short time and allow determination of beam parameters of the light beam with high accuracy.
[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. To solve the task, a device is proposed which comprises a variable optical element (VOE) 20, an objective 30, and a spatially resolving detector 50, which are arranged one behind the other in the beam path of a light beam 10 to be measured. The variable optical element 20 has an adjustable focal length, which can be varied by means of a manipulated variable between a minimum focal length and a maximum focal length. The refractive power of an optical element is equal to the reciprocal focal length of the optical element, that is, the minimum adjustable focal length corresponds to a maximum refractive power, and the maximum adjustable focal length corresponds to a minimum refractive power.
[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 fobj und eine objektseitige Hauptfläche H0bj 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 Hobj von der bildseitigen Hauptfläche H'VOE 22 des variablen optischen Elements (VOE) 20 zur objektsei tigen Hauptfläche Hobj 31 des Objektivs 30 soll etwa gleich der Brennweite fobj des Objektivs 30 sein. The variable optical element 20 further has an image-side major surface H ' VOE 22. It is known from the field of technical optics that the image-side main surface of a lens is a virtual surface on which the refraction of axially parallel rays would take place, if one considers the refraction usually taking place at several optical interfaces of a lens reduced to one surface. The distance of the intersection between the image-side major surface of a lens and the optical axis to the image-side focal point of the lens is therefore equal to the focal length of the subject lens. The objective 30 has a constant focal length fo bj and an object-side main surface H 0 bj 31. According to the invention, the objective 30 is arranged in the beam direction behind the variable optical element 20 at a defined distance from the variable optical element 20. The distance H'VOE Ho b j from the image-side major surface H ' VOE 22 of the variable optical element (VOE) 20 to objektsei main surface Ho bj 31 of the lens 30 should be approximately equal to the focal length fo bj of the lens 30.
[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 Hobj zwischen der bildseitigen Hauptebene H'VOE 22 des variablen optischen Elements 20 und der objektseitigen Hauptfläche Hobj 31 des Objektivs 30 soll in einem Bereich von 0,95 * fobj < H'VOE Hobj < 1,05 * fobj liegen. Mit anderen Worten, der Abstand zwischen den Hauptflächen H'VOE Hobj soll gleich der Brennweite fobj des Objektivs 30 mit einer maximalen Abweichung von +1-5% betragen. The position of the image-side major surface H ' VOE 22 of the variable optical element 20 can, for example, when using a fluid lens with variable center thickness, vary in a small range. This variation can typically be from a few 1/10 mm to a few mm. Therefore, it is intended to allow a small deviation from the ideal distance condition between the variable optical element VOE 20 and the objective 30. The distance H ' VOE Ho b j between the image-side main plane H ' VOE 22 of the variable optical element 20 and the object-side main surface Ho bj 31 of the objective 30 should be in a range of 0.95 * fobj <H'VOE Hobj <1.05 * fobj lie. In other words, the distance between the major surfaces H ' VOE Ho bj should be equal to the focal length fo b j of the objective 30 with a maximum deviation of + 1-5%.
[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. In the beam direction behind the lens 30 of the spatially resolving detector 50 is arranged. The spatial resolution detector 50 is a photosensitive sensor that can register the local light intensity. In this context, the term "spatially resolving" means that the sensor does not register a single measured value integrally over its entire surface but has a plurality of cells distributed over the surface and can thus register a two-dimensional lateral light distribution The spatial resolution detector 50 records the intensity distribution of the focused light beam 17 in a cross-sectional plane of the light beam 17. The position-sensitive detector 50 is at a distance from the objective 30 arranged, in which by varying the focal length of the variable optical element 20, the beam waist 18 of the focused light beam 17 both before (eg front end position A, 45, the focus adjustment range As) and virtually behind the position-resolving detector 50 can be positioned (eg rear Final Stor e C, 47, the focus adjustment range As). Due to the features of the invention results in a special operation of the device. The light beam 10 to be measured is incident on the variable optical element (VOE) 20. The variable optical element 20 influences the light beam 10 such that the aperture angle of the beam cone of the light beam 10 is changed due to the refraction by the variable optical element 20. Depending on the set focal length of the variable optical element, the opening angle of the beam cone is influenced more or less. In the example shown in FIG. 2, the beam 10 to be measured is collimated and, after being influenced by the variable optical element 20, converges, the convergence angle (or angle of oscillation) depending on the set focal length or refractive power of the variable optical element 20. By way of example, FIG. 2 shows three beams which represent the refracted beam at minimum, average and maximum refractive power. Subsequently, the light beam 10 influenced by the variable optical element 20 is focused by the objective 30. Due to the adjustable opening angle or convergent angle of the light beam 10 after the variable optical element 20 results after focusing by the lens 30 an adjustable axial position (for example, A, B or C) of the beam waist 18 of the focused light beam 17. After focusing by the Lens 30 is the Öfmungswinkel or convergence angle of the focused light beam constant. This is equivalent to that the total focal length of the system composed of the variable optical element 20 and the objective 30 is constant, although the focal length and the refractive power of the variable optical element VOE 20 may have different values.
[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: fG = f , f 2 / ( f , + f2 - e ) The total focal length fb of a system composed of two lenses 1 and 2 can be determined according to the following formula known from the technical view: f G = f, f 2 / (f, + f 2 -e)
[0055] Dabei ist fi die Brennweite der ersten Linse 1, f2 die Brennweite der zweiten Linse 2, und e ist der Abstand der beiden Linsen. Auf die erfindungsgemäße Vorrichtung angewendet, entspricht das variable optische Element (VOE) 20 mit der Brennweite fV0E der ersten Linse 1, das Objektiv 30 mit der Brennweite fobj entspricht der zweiten Linse 2, und der Abstand e der Linsen ist, optisch exakt formuliert, der Abstand der bildseitigen Hauptfläche der ersten Linse 1 zur objektseitigen Hauptfläche der zweiten Linse 2. Dieser Abstand e soll erfindungsgemäß etwa gleich der Brennweite fobj des Objektivs 30 sein. Es ergibt sich: fG - fvOE fobj / ( fvOE + fobj ~ β ) Here, fi is the focal length of the first lens 1, f 2 is the focal length of the second lens 2, and e is the distance of the two lenses. Applied to the device according to the invention, corresponds to the variable optical element (VOE) 20 with the focal length f V 0E of the first lens 1, the lens 30 with the focal length fobj corresponds to the second lens 2, and the distance e of the lenses is optically accurately formulated , the distance of the image-side main surface of the first lens 1 to the object-side main surface of the second lens 2. This distance e should be according to the invention approximately equal to the focal length fo bj of the lens 30. It follows: fG - fvOE fobj / (fvOE + fobj ~ β )
Mit e ~ f0bj folgt: fG « 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. With e ~ f 0 bj follows: f G "f obj [0056] The overall focal length fo is thus approximately equal to the focal length of the lens 30 and thus independent of the focal length of the variable optical element (BOE) 20. Due to the constant total focal length the diameter of the beam waist 18 is constant over the entire adjustment range As. The beam parameters of the focused light beam 17 are therefore constant and do not change when the axial position of the beam waist 18 is adjusted. The propagation factor or the beam parameter product can therefore be determined from the beam radii in the different cross-sectional planes of the light beam in accordance with the procedure according to ISO 1146 ,
[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. It is envisaged that the distance H ' VOE Hobj between the image-side major surface of the variable optical element 20 and the object-side major surface of the objective 30 should be equal to the focal length fobj of the objective 30 with a maximum deviation of + 1-5%. This maximum deviation has only a small effect on the constancy of the total focal length or on the magnification of the system; their fluctuations then typically amount to at most a few percent.
[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. Not only the constancy of the focal length of the system composed of the variable optical element 20 and the objective 30 is a favorable property. A further advantageous feature results from the fact that the constant focal length of the composite system is equal to the focal length of the objective 30. Thus, via the proper choice of the focal length of the objective 30, the size of the beam waist 18 of the focused beam 17 can be adjusted to a desired value irrespective of the fixed focal length adjustment range of the variable optical element 20 to provide the metrological resolution in recording the intensity distributions in the cross-sectional planes of the light beam 17 to optimize.
[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 = fLv,c - ίίν,Α · Beim Stand der Technik ist also der Einstellbereich As durch die Eigenschaften des variablen optischen Elements festgelegt. Another favorable feature of the device according to the invention is evident when considering the adjustment range As for the beam waist position. In simplified terms, a light beam 10 to be measured is considered, which is collimated. In a known from the prior art device as in Figure 1 then the adjustment range As is immediate As the difference between the maximum focal length and the minimum focal length of the variable optical element or the variable lens LV: As = f L v, c - ίίν, Α · In the prior art, therefore, the adjustment range As by the properties of the variable optical element established.
[0060] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen ergibt sich der Einstellbereich As aus folgender Formel: In the case of the device according to the invention, on the other hand, the setting range As results from the following formula:
AS = ( fobj )2 [ ( l/fvOE,min ) ~ ( l/fvOE,max ) ] AS = (fobj) 2 [(1 / fvOE, min) ~ (1 / 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. Thus, by selecting a suitable focal length fobj of the objective 30, the adjustment range As can be adjusted to the desired or required range without being limited by the fixed focal length adjustment range fvoE.min to fvoE.max of a variable optical element 20 ,
[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. For most accurate determination of the beam parameter product or the beam propagation factor, it is convenient to scan a beam in a range of several Rayleigh lengths around its beam waist. The Rayleigh length is the distance from the beam waist where the beam diameter has increased to V2 times the beam diameter. At a distance of a Rayleigh length from the beam waist, the intensity of the beam has fallen by half for Gaussian beams. With a large diameter of the beam waist and a small aperture angle or divergence angle of the beam, the Rayleigh length can be very large. Conversely, the Rayleigh length is very small with a small diameter of the beam waist and a large aperture angle. It is therefore desirable for the most accurate possible measurement of the beam parameters to be able to adapt the adjustment range As of the device to the radiation to be measured. This is possible in the device according to the invention by selecting the focal length of the objective 30 in a wide range. In FIG. 2, for example, the focal length fobj of the objective 30 is selected to be relatively short, and consequently the focus adjustment range As is relatively short. In contrast, in FIGS. 3 and 4 embodiments are shown in which the focal length fobj of the objective 30 is chosen to be significantly longer. As a result, the setting range As is also much larger, although the focal length setting range of the variable optical element 20 is the same as in FIG. 2. It is further found that the adjustment of the axial position of the beam waist 18 of the focused light beam is proportional to the change in the refractive power of the variable optical element 20. This is advantageous because with many optical elements or lenses with adjustable focal length not the focal length, but the refractive power is proportionally dependent on a manipulated variable such as an electric current or a pressure. This results in the device according to the invention also a proportional adjustment of the axial position of the beam waist when changing the manipulated variable of the variable optical element 20th
[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. As a variable optical element 20, for example, a fluid lens may be used. Such a lens is offered, for example, by the company Optotune AG under the product name EL 10-30 as "Fast Electrically Tunable Lens." In this lens, an electrically controllable actuator presses on a container which is filled with an optical fluid and with a Depending on the pressure in the container, the elastic membrane is more or less curved, so the focal length of the lens is controlled by the electrical current applied to the actuator, and the manufacturer gives a roughly linear relationship between the electric current and the refractive power of the lens.
[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. Any other lenses with adjustable focal length can also be used as the variable optical element 20. For example, adaptive lenses are possible in which the refractive power can be set by means of actuators; Fluid lenses in which an interface can be electrostatically adjusted; or adaptive mirrors in which the curvature can be adjusted by a pressure chamber or by actuators. The list is to be understood as an example; the invention is not limited to the said types of variable optical elements.
[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. To determine the beam parameters or the propagation factor of a light beam, it is provided to scan at least three different cross-sectional planes of the light beam. For this purpose, the beam waist 18 of the focused light beam 17 is displaced by adjusting the focal length of the variable optical element 20 at three different axial positions, so that the spatially resolving detector 50 three different cross-sectional planes of the beam 17 come to rest. The three adjusted positions of the beam waist 18 can However, any other three positions may be within the adjustment range As of the beam waist 18, and more than three positions may be selected. In order to obtain the most accurate results, it is favorable, on the one hand, to select the setting positions of the beam waist 18 equidistantly and, on the other hand, to select an approximately equal number of positions in front of and behind the spatially resolving detector 50. At each approached position of the beam waist 18, the intensity distribution of the focused light beam 17 is registered by the spatially resolving detector 50. From the registered intensity distributions, the respective beam radii or beam diameters can be determined. Plotting the ray radii over the axial position gives the envelope or caustics of the beam 17, and the propagation factor or beam parameter product can be calculated therefrom.
[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. The objective 30 may consist of a single lens. For example, to minimize aberrations, the single lens may be an aspherical lens. Reduction of aberrations can also be achieved by using multiple lenses. It is therefore also envisaged that the objective 30 is composed of several lenses.
[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. In order to be able to scan the beam in a range of several Rayleigh lengths around the beam waist 18, it is not necessary that the entire adjustment range As lies behind the objective 30 in the real image space. However, at least about half of the setting range As should be accessible in real terms so that the spatially resolving detector 50 can be arranged approximately in the vicinity of the central focus position B, 46. From the requirement of a real image position at the middle focus position B, 46, the beam waist 18, a restriction in the choice of the focal length fobj of the lens 30 may result if the lens 30 consists of only a single thin lens, in which the object-side Main surface is typically within the lens (eg in a biconvex lens). Consequently, the focal length of the objective 30 in this case should not be greater than the focal length of the variable optical element 20 at the average adjustable refractive power of the variable optical element 20. The following numerical example illustrates the relationship: The focal length of the variable optical element 20 is adjustable, for example from fvoE.min = 50 mm to fvoE.max = 250 mm. This corresponds to a refractive power of 20 dpt to 4 dpt (dpt: diopter, refractive power in 1 / m). The average refractive power in this example is about 12 dpt, corresponding to a focal length of 83 mm. When the lens 30 with a single Lens then has a focal length of for example 100 mm and therefore would have to be placed about 100 mm behind the variable optical element, then the image position at the middle focus position (B) 46 of the beam waist 18 is not in the real area behind the lens 30. Das The exemplary embodiment shown in FIG. 3 corresponds approximately to the mentioned numerical example. In the present invention, this limitation on the focal length of the objective 30 is overcome because not only single lenses can be used as the objective 30 according to the present invention, but also other types of the objective 30 are provided in which the major surfaces are not within the objective or lenses of the objective must lie.
[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. It is also contemplated that the objective 30 comprises a first lens group 35 and a second lens group 36. Both lens groups 35, 36 together form the objective 30. The first lens group 35 may consist of a single lens or may comprise a plurality of lenses. The second lens group 36 may also consist of a single lens or comprise a plurality of lenses. The first lens group 35 may have a negative focal length, and the second lens group 36 may have a positive focal length, and the lens 30 composed of both lens groups 35, 36 has a positive focal length. This creates a lens in so-called retrofocus construction. A retrofocus lens has an image section that is larger than the focal length of the lens. The image-side main surface H 'is therefore shifted backwards into the image space. For the device according to the invention, however, the position of the object-side main surface H is essential. The position of the object-side main surface is also shifted to the rear with a retrofocus lens. FIG. 9 shows the position of the main surfaces in a retro-focus-type objective 30 with a first lens group 35 and a second lens group 36. FIGS. 6, 7 and 8 show exemplary embodiments of the invention with an objective 30 designed as a retrofocus objective. The retrofocus Construction of the objective 30 may be advantageous in several respects. On the one hand, the position of the adjustment range As can be shifted backwards. Furthermore, this significantly shortens the distance between the objective 30 and the variable optical element 20, thereby reducing the size of the device. Finally, despite a small size, a very large focal length of the objective 30 can be realized in order to achieve a large adjustment range As. In the following, further embodiments and further developments of the invention are shown.
[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. When measuring a laser beam with high brilliance, so with a small beam parameter product or mode factor, it may be desired, for example, to choose a very large focal length for the lens 30 to the beam waist 18 of the focused beam 17 as large as possible to image and achieve a high lateral resolution. In this case, the situation may occur that part of the focus adjustment range As or even the entire focus adjustment range is not located in the real image space behind the objective 30 and thus is not available for the measurement with the spatially resolving detector. A situation in which only part of the adjustment range lies in the real image space is shown by way of example in FIG. 3. In order to be able to completely scan the beam caustic in such situations, further embodiments of the invention are proposed. In a second embodiment of the invention is provided to arrange in the beam direction in front of the variable optical element 20, a lens (LD) 60 for divergence adjustment. With this lens 60, a refractive power offset is generated and thereby the entire focus adjustment range As is displaced axially by a certain amount. If the divergence adjustment lens 60 has a negative refractive power, the focus adjustment area As is shifted rearward in the beam direction. A corresponding embodiment is shown in FIG.
[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. The refractive power of divergence adjustment lens (LD) 60 may also be positive. As a result, the adjustment range As of the beam waist 18 is shifted toward the front, closer to the objective 30. This may be advantageous in the measurement of light rays 10 having a relatively high divergence and a beam waist 11 near the measuring device. FIG. 7 shows an exemplary embodiment with a positive lens 60 for divergence adaptation.
[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. The lens (LD) 60 for divergence adjustment may also be a variable lens whose focal length or power can be varied. Thus, a device can be provided which can be flexibly adjusted to many geometric configurations of the beam 10 to be measured. Thereby, the measurement of convergent, divergent and collimated beams 10 and beams with different layers of the beam waist 11 is possible without having to make a conversion of the device. It will only the focal length of the divergence adjustment lens 60 is properly adjusted to the respective beam 10, eg, such that the beam 10 is collimated to the divergence adjustment lens 60. During the measurement of the beam 10, the focal length or refractive power of the divergence adjustment variable lens 60 is constant; In order to vary the position of the beam waist 18 during the beam measurement, the focal length or refractive power of the variable optical element 20 is changed.
[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: In a third embodiment, the invention further comprises a device for beam attenuation. The device for beam attenuation may comprise, for example, a filter glass or a neutral density glass, also called gray glass. The device for attenuation may also consist of a pair of polarizing filters with mutually adjustable angle. The attenuator may also include one or more beam splitters 70 which split the beam into a reflected and a transmitted beam, each having low intensities than the original beam. The beam splitter 70 may be formed by an interface of an optical device such as a plane plate, a wedge plate or a prism. The interface of the optical device may be uncoated or coated, for example provided with a dielectric coating. FIG. 8 shows by way of example the device according to the invention with a device for beam attenuation, which consists of two beam splitters 70, which are arranged in front of the variable optical element 20. Each beam splitter 70 reflects a small portion of the light beam 10, so that after two reflections, the light beam 10 has a substantially reduced intensity. The beam portions transmitted by the beam splitters with the majority of the beam power are captured by beam traps or absorbers 74. The two beam splitters 70 may be arranged spatially so that the reflection planes are rotated by 90 ° to each other. Thus, a very precise polarization-independent attenuation can be achieved, which is also suitable for high beam intensities and high beam powers. The invention is thus also applicable to the measurement of high power laser beams. The invention is not limited to the illustrated and described embodiments. Rather, the features of individual embodiments can also be combined with each other. For example, a device including both a divergence adjustment lens (LD) and a beam attenuation means is within the scope of the present invention. The invention offers numerous advantages over the prior art, which are summarized below:
• 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.  • The device allows the rapid and precise adjustment of the axial position of the image-side beam waist 18 of a light beam 10 to be measured relative to a spatially resolving detector 50 without elements of the device must be stored axially movable.
• 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.  The focal length of the overall optical system consisting of the variable optical element 20 and the objective 30 is constant and independent of the focal length of the variable optical element 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.  Due to the constant focal length or the constant imaging properties of the overall system consisting of variable optical element 20 and objective 30, the evaluation for the determination of propagation factors or beam parameter products can be carried out according to the formulas of ISO 11146.
• 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.  • By means of a construction of the objective 30 consisting of two lens groups 35, 36, a compact design with a long focal length of the overall system and thus a large axial focus adjustment range As can be achieved.
• 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.  The calibration of the device required for the correct determination of the beam parameters and for the conversion of the parameters to the subject beam parameters is simpler and less error-prone than with devices with varying total focal length.
• 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.  The beam parameter product, which is determined from the beam diameters measured at different cross-sectional planes, is independent of the exact axial positioning of the spatially resolving detector 50, thus reducing the number of potential systematic sources of error.
• 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. The focal length of the overall optical system can be chosen independently of the limitations of the variable optical element 20 in order to adapt the magnification or the diameter of the image-side beam waist 18 to the conditions of the light beams 10 or laser beams to be measured.
• 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. The focal length of the objective 30 can be suitably selected to realize a sufficiently large or small adjustment range As for the axial position of the image-side beam waist 18 irrespective of the predetermined focal length variation range of the variable optical element 20. The change in the axial position of the image-side beam waist 18 is proportional to the refractive power change of the variable optical element 20 and is therefore approximately linearly dependent on the manipulated variable in the case of most of the variable optical elements 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. Determining a geometric parameter of the light beam from the registered intensity distributions may also include determining the axial position of a beam waist or focus position 18 of the focused light beam 17. From the position of the image-side focus position 18, the axial position of the beam waist 11 of the original beam to be measured can be determined via the imaging equation of the overall system. The invention is therefore also intended to control or monitor a focus position of a light beam or laser beam. The monitoring of a focus position may be advantageous, for example, in a laser processing system to diagnose changes in the desired focus position of a processing laser beam. Such changes can be caused for example by thermal effects. Changes in the target focus position may also be caused by the laser beam itself due to absorption of the radiation by the processing optics.
[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. The invention can be used for example for measuring laser beams. It can be measured laser beams emitted by beam sources. It is also possible to measure laser beams which are emitted by a beam guidance system, such as an optical fiber, or which are imaged or focused by laser processing optics, or which are imaged by beam shaping optics for shaping a desired beam geometry.
[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 The invention can also be used for on-line beam diagnosis, for example on a laser processing optical system which decouples a fraction of the laser beam by means of a beam splitter and makes it available at a diagnostic beam output. The device according to the invention can be coupled to the diagnostic beam output of the laser processing optics. The invention can also be integrated as a fixed component in the laser processing optics. The laser processing optics may be, for example, a scanner optics. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Zu vermessender Lichtstrahl 10 Light beam to be measured
11 Strahltaille des zu vermessenden Lichtstrahls  11 beam waist of the light beam to be measured
15 Optische Achse 15 Optical axis
17 Fokussierter Lichtstrahl  17 Focused light beam
18 Strahltaille bzw. Fokuslage des fokussierten Lichtstrahls  18 beam waist or focal position of the focused light beam
20 Variables optisches Element mit einstellbarer Brennweite 20 Variable optical element with adjustable focal length
22 Bildseitige Hauptfläche des variablen optischen Elements 22 image-side main surface of the variable optical element
25 Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei größter Brechkraft25 Image-side focal point of the variable optical element at maximum power
26 Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei mittlerer Brechkraft26 Image-side focal point of the variable optical element at average power
27 Bildseitiger Brennpunkt des variablen optischen Elements bei kleinster Brechkraft27 Image-side focal point of the variable optical element with the smallest refractive power
30 Objektiv 30 lens
31 Objektseitige Hauptfläche des Objektivs  31 Object-side main surface of the lens
32 Bildseitige Hauptfläche des Objektivs 32 Image-side main surface of the lens
33 Objektseitiger Brennpunkt des Objektivs  33 Object-side focal point of the objective
34 Bildseitiger Brennpunkt des Objektivs  34 Image-side focal point of the lens
35 Erste Linsengruppe des Objektivs  35 First lens group of the lens
36 Zweite Linsengruppe des Objektivs  36 Second lens group of the lens
45 Vordere Endlage A des Fokus-Einstellbereichs 45 Front end position A of the focus adjustment range
46 Mittlere Position B des Fokus-Einstellbereichs  46 Middle position B of the focus adjustment range
47 Hintere Endlage C des Fokus-Einstellbereichs  47 Rear end position C of the focus adjustment range
50 Ortsauflösender Detektor 50 Spatial detector
60 Linse zur Divergenz- Anpassung  60 divergence adjustment lens
70 Strahlteiler 70 beam splitter
74 Strahlfalle (Absorber)  74 jet trap (absorber)

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls (10), umfassend ein variables optisches Element (20), ein Objektiv (30), und einen ortsauflösendenA device for determining geometric parameters of a light beam (10), comprising a variable optical element (20), a lens (30), and a spatially resolving
Detektor (50), wobei das variable optische Element (20) eine einstellbare Brennweite und eine bildseitige Hauptfläche (22) aufweist, wobei das Objektiv (30) eine konstante Brennweite und eine objektseitige Hauptfläche (31) aufweist, wobei der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptfläche (22) des variablen optischen Elements (20) und der objektseitigen Hauptfläche (31) des Objektivs (30) gleich der konstanten Brennweite des Objektivs (30) bei einer Abweichung von höchstens +/- 5% ist, wobei das Objektiv (30) dem variablen optischen Element (20) in Strahlrichtung nachgeschaltet ist, wobei der ortsauflösende Detektor (50) dem Objektiv (30) in Strahlrichtung nachgeschaltet ist, und wobei durch Änderung der einstellbaren Brennweite des variablen optischen Elements (20) und durch nachfolgende Fokussierung des Lichtstrahls (10) durch das Objektiv (30) eine Fokuslage (18) des fokussierten Lichtstrahls (17) gegenüber dem ortsauflösenden Detektor (50) in axialer Richtung variabel einstellbar ist. A detector (50), wherein the variable optical element (20) has an adjustable focal length and an image-side major surface (22), the objective (30) having a constant focal length and an object-side major surface (31), the distance between the image-side major surface (22) of the variable optical element (20) and the object - side main surface (31) of the objective (30) is equal to the constant focal length of the objective (30) with a deviation of at most +/- 5%, the objective (30) variable optical element (20) is connected downstream in the beam direction, wherein the spatially resolving detector (50) is downstream of the lens (30) in the beam direction, and wherein by changing the adjustable focal length of the variable optical element (20) and by subsequent focusing of the light beam (10 ) by the objective (30) a focal position (18) of the focused light beam (17) relative to the spatially resolving detector (50) in the axial direction variable is ellable.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die relativen Positionen des Lichtstrahls (10), des variablen optischen Elements (20), des Objektivs (30) und des ortsauflösenden Detektors2. Apparatus according to claim 1, wherein the relative positions of the light beam (10), the variable optical element (20), the lens (30) and the spatially resolving detector
(50) zueinander ortsfest sind. (50) are stationary relative to each other.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gesamtbrennweite eines Systems bestehend aus dem variablen optischen Element (20) und dem Objektiv (30) gleich der konstanten Brennweite des Objektivs (30) mit einer Abweichung von höchstens +/- 5% ist. 3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the total focal length of a system consisting of the variable optical element (20) and the lens (30) is equal to the constant focal length of the lens (30) with a maximum deviation of +/- 5%.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das variable optische Element (20) eine Fluidlinse umfasst. 4. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the variable optical element (20) comprises a fluid lens.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das variable optische Element (20) eine adaptive Linse umfasst. A device according to any one of claims 1 to 3, wherein the variable optical element (20) comprises an adaptive lens.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das variable optische Element (20) einen adaptiven Spiegel umfasst. 6. Device according to one of claims 1 to 3, wherein the variable optical element (20) comprises an adaptive mirror.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Linse (60) zur Divergenz- Anpassung in Strahlrichtung vor dem variablen optischen Element (20) angeordnet ist. 7. Device according to one of claims 1 to 6, wherein a lens (60) for divergence adjustment in the beam direction in front of the variable optical element (20) is arranged.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Objektiv (30) eine erste Linsengruppe (35) und eine zweite Linsengruppe (36) umfasst. 8. Device according to one of claims 1 to 7, wherein the lens (30) comprises a first lens group (35) and a second lens group (36).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die erste Linsengruppe (35) des Objektivs (30) eine negative Brechkraft aufweist, wobei die zweite Linsengruppe (36) des Objektivs (30) eine positive Brechkraft aufweist, und wobei die konstante Brennweite des Objektivs (30) insgesamt einen positiven Wert besitzt. 9. Apparatus according to claim 8, wherein the first lens group (35) of the objective (30) has a negative refractive power, wherein the second lens group (36) of the objective (30) has a positive refractive power, and wherein the constant focal length of the objective (30 ) has a positive value overall.
10. Verfahren zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls (10), umfassend die Verfahrensschritte: 10. A method for determining geometric parameters of a light beam (10), comprising the method steps:
- Verändern eines Öffhungswinkels des Lichtstrahls (10) mittels eines variablen optischen Elements (20), welches eine einstellbare Brennweite und eine bildseitige Hauptfläche (22) aufweist,  Changing an opening angle of the light beam (10) by means of a variable optical element (20) having an adjustable focal length and an image-side main surface (22),
Fokussieren des vom variablen optischen Element (20) bezüglich des Öffhungswinkels veränderten Lichtstrahls mittels eines Objektivs (30), welches eine konstante Brennweite und eine objektseitige Hauptfläche (31) aufweist,  Focusing the light beam changed by the variable optical element (20) with respect to the opening angle by means of an objective (30) having a constant focal length and an object-side main surface (31),
Ändern der einstellbaren Brennweite des variablen optischen Elements (20), wobei nacheinander mindestens drei verschiedene Brennweiten eingestellt werden,  Changing the adjustable focal length of the variable optical element (20), wherein successively at least three different focal lengths are set,
Registrieren von Intensitätsverteilungen des vom Objektiv (30) fokussierten Lichtstrahls (17) mittels eines ortsauflösenden Detektors (50), der in Strahlrichtung nach dem Objektiv (30) angeordnet ist, wobei jeweils eine Intensitätsverteilung bei jeder der mindestens drei verschiedenen eingestellten Brennweiten registriert wird, und  Registering intensity distributions of the light beam (17) focused by the objective (30) by means of a spatially resolving detector (50) arranged in the beam direction after the objective (30), wherein an intensity distribution is registered at each of the at least three different set focal lengths, and
Ermitteln eines geometrischen Parameters des Lichtstrahls (10) aus den registrierten Intensitätsverteilungen,  Determining a geometric parameter of the light beam (10) from the registered intensity distributions,
wobei der Abstand zwischen der bildseitigen Hauptfläche (22) des variablen optischen Elements (20) und der objektseitigen Hauptfläche (31) des Objektivs (30) gleich der konstanten Brennweite des Objektivs (30) mit einer Abweichung von höchstens +/- 5% ist. wherein the distance between the image side major surface (22) of the variable optical element (20) and the object side major surface (31) of the objective (30) is equal to the constant focal length of the objective (30) with a maximum deviation of +/- 5%.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die relativen Positionen des Lichtstrahls (10), des variablen optischen Elements (20), des Objektivs (30) und des ortsauflösenden Detektors (50) zueinander ortsfest sind. 11. The method of claim 10, wherein the relative positions of the light beam (10), the variable optical element (20), the lens (30) and the spatially resolving detector (50) are fixed to each other.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ermitteln eines geometrischen Parameters des Lichtstrahls (10) aus den registrierten Intensitätsverteilungen ein Ermitteln eines Strahlpropagationsfaktors des Lichtstrahls (10) umfasst. The method of claim 11, wherein determining a geometric parameter of the light beam (10) from the registered intensity distributions comprises determining a beam propagation factor of the light beam (10).
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