DE102017005418A1

DE102017005418A1 - Mess-Sonde für Strahlabtastung

Info

Publication number: DE102017005418A1
Application number: DE102017005418.5A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Stefan Wolf; Andreas Koglbauer; Roman Niedrig
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2037-06-10
Also published as: CN110799816B; CN110799816A; WO2018224068A1; DE102017005418B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mess-Sonde zur Abtastung von Lichtstrahlen (10) oder Laserstrahlen. Die Mess-Sonde ist geeignet zur direkten Abtastung von Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung und zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls (10) mit hoher Ortsauflösung und mit hohem Signal-Stör-Abstand, da die Mess-Sonde unempfindlich ist gegenüber Mehrfachreflexionen innerhalb der Mess-Sonde. Dazu wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Abtastkörper (20) mit einer Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22), mit einer Lichtstrahl-Austrittsfläche (23), mit einer Probenlicht-Austrittsfläche (25), und mit einem Sonden-Bereich (30) enthält. Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin einen Detektor (40) und eine Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen zwischen dem Abtastkörper (20) und dem Lichtstrahl (10). Der Abtastkörper (20) ist stabförmig und besteht aus einem lichtleitenden, transparenten Material. Der Abtastkörper weist eine Aussparung (21) zur Ausbildung eines Flächenabschnitts (27) am Abtastkörper (20) auf, der die Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) beinhaltet. Eine Normalen-Richtung (28) der Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) ist in einem Winkel a im Bereich von 5° bis 20° zu einer Normalen-Richtung (29) der Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) geneigt. Der Sonden-Bereich (30) ist in einer Querschnittsebene (26') des Abtastkörpers (20) angeordnet, die sich im Bereich der Aussparung (21) befindet. Eine Querschnittsabmessung (D') des Abtastkörpers (20) in der Querschnittsebene (26') beträgt mindestens 50% einer Querschnittsabmessung (D) des Abtastkörpers (20) in einer Querschnittsebene (26) außerhalb der Aussparung (21). Der Sonden-Bereich (30) weist eine lichtablenkende Strukturierung auf. Der Detektor (40) ist angeordnet zur Erfassung von wenigstens einem Teil eines vom Sonden-Bereich (30) aus dem Lichtstrahl (10) abgelenkten Strahl-Anteils (15).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtastung von Lichtstrahlen oder Laserstrahlen. Die Erfindung ist geeignet zur Bestimmung von geometrischen Parametern wie beispielsweise der Intensitätsverteilung, dem Strahlprofil oder dem Strahldurchmesser im Querschnitt eines Lichtstrahls oder Laserstrahls. Die Erfindung ermöglicht die direkte Abtastung von Laserstrahlen mit höchster Brillanz und Leistung im Kilowatt- und Multi-Kilowatt-Bereich ohne vorherige Abschwächung des Laserstrahls. Die Vorrichtung kann verwendet werden zur Abtastung mehrerer Strahlquerschnitte in verschiedenen Ebenen und kann damit auch zur Bestimmung eines Strahlparameter-Produkts, eines Strahlpropagationsfaktors oder einer Fokus-Position eines Laserstrahls eingesetzt werden. Die Erfindung ermöglicht Messungen mit großem Signal-Störabstand und hoher Genauigkeit aufgrund einer verringerten Empfindlichkeit gegenüber störenden Lichtreflexionen innerhalb der Mess-Sonde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Beschreibung eines Lichtstrahls oder eines Laserstrahls werden einerseits integrale Größen wie die Energie oder die Leistung herangezogen. Zusätzlich werden geometrische Parameter benötigt, um die Ausbreitung und Fokussierbarkeit eines Lichtstrahls zu beschreiben. Solche geometrischen Parameter sind beispielsweise ein Strahldurchmesser, ein Strahlprofil, die Fokus-Position oder das Strahlparameter-Produkt. Das Strahlparameterprodukt beschreibt das Produkt aus dem Radius der Strahl-Taille, also dem kleinsten Radius des Strahls, der zum Beispiel in einer Fokus-Ebene des Strahls vorliegen kann, und dem Öffnungswinkel des Strahls, und ist daher eine Kennzahl für die Fokussierbarkeit eines Lichtstrahls oder Laserstrahls. Andere Kennzahlen oder Bezeichnungen für den gleichen Sachverhalt sind die Strahlqualität, die Strahlqualitätskennzahl, der Strahlpropagationsfaktor, der Modenfaktor oder die Beugungsmaßzahl. Strahlparameter müssen in vielen Produktionsprozessen, bei denen mit Lichtstrahlen gearbeitet wird, zur Qualitätskontrolle in regelmäßigen Abständen gemessen werden.
Zur Bestimmung von Strahlparametern, beispielsweise nach der Norm ISO 11146, muss die Intensitätsverteilung des Strahls bzw. die relative Leistungsdichte ortsaufgelöst in mehreren Querschnittsebenen eines Strahls bestimmt werden.
Zur Abtastung der Intensitätsverteilung in einer Querschnittsebene des Lichtstrahls sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt. Eine prinzipielle Möglichkeit zur Messung besteht darin, den Strahl auf einen ortsauflösenden Sensor zu richten, zum Beispiel auf eine CCD-Kamera, und auf diese Weise die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahls zu bestimmen. Eine derartige direkte Messung mit einem ortsauflösenden Sensor ist für Strahlen höherer Leistung ungeeignet, da bei höherer Leistung ein direkt im Strahl eingesetzter Sensor zerstört werden würde. Der Strahl muss dann zunächst abgeschwächt werden. Bei einer Strahlabschwächung wiederum muss ein sehr hoher Aufwand getrieben werden, um sicherzustellen, dass die Strahleigenschaften durch die Abschwächungsvorrichtung nicht verändert werden, zum Beispiel infolge induzierter thermo-optischer Effekte.
Eine direkte Vermessung eines Strahls im Fokus-Bereich ist daher wünschenswert, um genau die Eigenschaften zu vermessen und zu prüfen, die beispielsweise bei der Lasermaterialbearbeitung den Prozess beeinflussen.
Eine übliche Methode zur direkten Vermessung eines Strahls ist eine Abtastung der Intensitätsverteilung in einer Raster-Bewegung, z.B. zeilenweise, mittels einer Einrichtung, die aus einem kleinen Segment des Strahls eine Probe entnimmt und diese Probenstrahlung auf einen Detektor führt.
Eine Einrichtung dieser Art offenbart beispielsweise die DE 199 09 595 A1 . Dort wird der Strahl mit einem Pinhole bzw. mit einer kleinen Lochblende abgetastet mit der Besonderheit, dass hinter dem Pinhole ein Streukörper angeordnet ist, wodurch das gewonnene Messsignal weniger abhängig ist von der Einfallsrichtung der zu vermessenden Strahlung. Eine weitere Vorrichtung dieser Art zeigt die WO 2009/000500 A1 . Auch hier wird aus dem Strahl mittels einer Apertur oder einem hohlnadelartigen Abtastkopf, der den Strahlquerschnitt scannend abtastet, ein Teilstrahl ausgekoppelt. Der Teilstrahl wird zur Erzeugung von wellenfrontspezifischen Messdaten mittels einer Linse auf einen positionsauflösenden Detektor gerichtet.
Der Abtastkopf einer Messeinrichtung muss nicht immer mit einer Bewegungseinrichtung gekoppelt sein. Wenn ein Strahl vermessen werden soll, der von einer Scanner-Optik erzeugt wird, so lässt sich die Strahlablenkeinrichtung der Scanner-Optik nutzen, um den Strahl in einer Raster-Bewegung über den Abtastkopf zu führen. Solche Vorrichtungen und Verfahren offenbaren beispielsweise die DE 10 2005 038 587 A1 und die DE 10 2011 006 553 A1 .
Die Entnahme von Proben aus einem Lichtstrahl bzw. Laserstrahl mit hoher Leistung ist dennoch mit großen Schwierigkeiten verbunden, wenn die Strahlgeometrie von Strahlen mit höchster Leistung und Brillanz im Bereich des Strahl-Fokus vermessen werden soll. Bei den bekannten Vorrichtungen zur Abtastung eines Strahls ist es erforderlich, den Strahl auf irgendeine Art und Weise ortsspezifisch zu begrenzen, um einen Teilstrahl aus einem kleinen Segment des Strahlquerschnitts zu gewinnen. Diese Begrenzungen können Lochblenden, Aperturen, Hohlnadeln, Umlenkspiegel bzw. deren Rand oder Halterung, oder sonstige Einrichtungen sein. Dabei fällt zwangsweise zeitweilig Strahlung auf diese Begrenzungen, welche bei sehr hohen Leistungsdichten, wie sie im Fokus eines hochbrillanten Strahls auftreten können, zerstört werden können, selbst wenn der Strahl nur für einen sehr kurzen Zeitraum während des Abtast-Vorgangs auf die Begrenzung fällt. Die bekannten Vorrichtungen sind daher nicht geeignet für die Vermessung von Strahlquerschnitten im Bereich der Taille bzw. im Fokus-Bereich von Laserstrahlung mit sehr hoher Leistung.
In der WO 98/50196 A1 wird eine Vorrichtung offenbart zum Detektieren und Berechnen von Fokus-Position, Profil und Leistungsverteilung eines fokussierten Laserstrahls. Dazu wird der Strahl mit einem Licht-beeinflussenden Körper abgetastet. In der gezeigten Ausführungsform ist der Licht-beeinflussende Körper eine quer zum Strahl angeordnete optische Faser, welche Strahlungsanteile aus dem Laserstrahl auf einen Licht-Sensor umlenkt. Dabei erfasst die Faser zwangsweise in einer Richtung immer den ganzen Strahlquerschnitt, so dass das Messsignal ein in einer Dimension integriertes Signal ist und somit in dieser Richtung keine ortsaufgelösten Signale erzeugt werden können. Der Licht-beeinflussende Körper ist in weiteren offenbarten Ausführungsformen reflektierend, z.B. silberhaltig, oder absorbierend ausgestaltet. Somit ist auch die aus der WO 98/50196 A1 bekannte Vorrichtung einerseits nicht für Laserstrahlung höchster Leistung und Brillanz geeignet, und andererseits ist die beschriebene Vorrichtung nicht zur Erzielung hoher örtlicher Auflösung geeignet, da die Offenbarung keinen Aufschluss gibt über eine exakt definierte Wechselwirkungs-Geometrie an oder in den Licht-beeinflussenden Körpern.
Ein weiteres Problem bei der Abtastung eines Strahls mit transparenten Sonden besteht darin, dass im Abtastkörper störendes Streulicht auftreten kann, beispielsweise durch Mehrfachreflexionen des abzutastenden Strahls, was die Messgenauigkeit einschränkt.
So offenbart beispielsweise das Patent US 6 476 908 B1 Lichtsonden unterschiedlicher Bauart zur Messung von Intensitätsverteilungen in einem Lichtstrahl. Einige dort gezeigte Ausführungsformen von Lichtsonden bestehen aus einem Substrat wie einer Platte oder einem Block, in welchem ein lichtstreuendes Element angeordnet ist, beispielsweise eine Luftblase. Zur Vermeidung von Fresnel-Reflexionen wird an der Vorderseite des Substrats eine Antireflexions-Beschichtung vorgeschlagen. Eine Antireflexions-Beschichtung senkt allerdings die Zerstörschwelle herab. Auch die als Material für das Substrat offenbarten Materialien, wie transparente Kunststoffe oder Gläser, sind für Hochleistungs-Laserstrahlen nicht geeignet. Übliche optische Gläser können von fokussierten Laserstrahlen aufgeschmolzen werden. An der Rückseite des Substrats können ebenfalls Fresnel-Reflexionen stattfinden. Durch Mehrfach-Reflexionen innerhalb des Substrats, wie in 7D der US 6 476 908 B1 dargestellt, kann zusätzliches Streulicht erzeugt werden, welches sich dem Mess-Signal überlagert und die Mess-Genauigkeit reduziert.
Aus der DE 10 2015 016 240 B3 sind ebenfalls Vorrichtungen zur Abtastung von Lichtstrahlen mit stabförmigen oder scheibenförmigen transparenten Mess-Sonden bekannt. Bei den dort offenbarten Mess-Sonden kann es ebenfalls durch Reflexion an der Lichtstrahl-Austrittsfläche zu Störungen im Detektor-Signal kommen. Zur Minderung solcher Störungen wird vorgeschlagen, dass die Lichtstrahl-Austrittsfläche gegenüber dem Lichtstrahl geneigt sein kann. Es wird dabei nicht erläutert, in welcher Weise eine geneigte Lichtstrahl-Austrittsfläche ausgebildet sein kann und zu welchen Problemen der dann schräg reflektierte Strahl-Anteil führen kann, wie beispielsweise zu erhöhten Detektor- Untergrundsignalen durch Propagation der reflektierten Strahl-Anteile in Richtung zum Detektor. Als alternativer Lösungsansatz zur Reduktion des Problems der Selbst-Überlagerung des Lichtstrahls mit reflektierten Strahl-Anteilen wird in der zitierten Patentschrift vorgeschlagen, den Sonden-Bereich möglichst dicht an der Lichtstrahl-Austrittsfläche anzuordnen. Dann müsste der zu vermessende Lichtstrahl jedoch einen längeren Weg durch den Abtastkörper propagieren, bevor der Strahl vom Sonden-Bereich abgetastet wird. Dies kann aufgrund von Brechung und thermooptischen Effekten wiederum zu einer unerwünschten Veränderung der Strahl-Eigenschaften führen und damit zu ungenauen Ergebnissen der Abtastung.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen demnach erhebliche Nachteile hinsichtlich der Verwendbarkeit bei sehr hoher Laserleistung oder Leistungsdichte, hinsichtlich der erzielbaren Ortsauflösung, und/oder hinsichtlich der Messgenauigkeit oder dem Signal-Störlicht-Abstand auf.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Mess-Sonde zur Abtastung von Lichtstrahlen zu schaffen, die für die Bestimmung von geometrischen Parametern von Laserstrahlen hoher Leistung oder Leistungsdichte geeignet ist, und die unempfindlich ist gegenüber Streulicht und fehlerbehafteten Signalen und so die Bestimmung von geometrischen Parametern in hoher Ortsauflösung und mit hohem Signal-Stör-Abstand ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls vorgeschlagen, die einen Abtastkörper mit einer Lichtstrahl-Eintrittsfläche, mit einer Lichtstrahl-Austrittsfläche, mit einer Probenlicht-Austrittsfläche, und mit einem Sonden-Bereich enthält. Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin einen Detektor und eine Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen zwischen dem Abtastkörper und dem Lichtstrahl. Dabei ist der Abtastkörper in Richtung einer Längsachse stabförmig ausgedehnt und besteht aus einem lichtleitenden, für den Lichtstrahl transparenten Material. Der Abtastkörper weist eine Aussparung zur Ausbildung eines Flächenabschnitts am Abtastkörper auf. Der Flächenabschnitt beinhaltet die Lichtstrahl-Eintrittsfläche oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche. Eine Normalen-Richtung der Lichtstrahl-Eintrittsfläche ist in einem Winkel im Bereich von 5° bis 20° zu einer Normalen-Richtung der Lichtstrahl-Austrittsfläche geneigt. Der Abtastkörper beinhaltet den Sonden-Bereich. Dabei ist der Sonden-Bereich in einer Querschnittsebene des Abtastkörpers angeordnet, die sich im Bereich der Aussparung befindet. Eine Querschnittsabmessung des Abtastkörpers in der Querschnittsebene, in der der Sonden-Bereich angeordnet ist, beträgt mindestens 50% einer Querschnittsabmessung des Abtastkörpers in einer Querschnittsebene außerhalb der Aussparung. Der Sonden-Bereich weist eine lichtablenkende Strukturierung auf. Der Detektor ist angeordnet zur Erfassung von wenigstens einem Teil eines vom Sonden-Bereich aus dem Lichtstrahl abgelenkten Strahl-Anteils.
Es ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der der Abtastkörper in Richtung der Längsachse eine Länge aufweist, die mindestens das vierfache der Querschnitts-Abmessung des Abtastkörpers beträgt.
Ein Abstand des Sonden-Bereichs zu einem hinteren Ende des Abtastkörpers mit der Probenlicht-Austrittsfläche kann mindestens das dreifache einer Querschnitts-Abmessung des Abtastkörpers betragen.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der ein Abstand des Sonden-Bereichs in Richtung der Längsachse zu einem vorderen Ende des Abtastkörpers mindestens die Hälfte der Querschnitts-Abmessung des Abtastkörpers beträgt.
Es ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der ein Abstand des Sonden-Bereichs zur Lichtstrahl-Eintrittsfläche höchstens ein Zehntel der Querschnitts-Abmessung des Abtastkörpers beträgt.
In einer möglichen Ausführungsform ist die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten gebildet.
Die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs kann hergestellt sein mittels eines fokussierten Kurzpuls-Lasers.
Eine Abmessung des Sonden-Bereichs kann kleiner sein als die Hälfte einer Abmessung des kleinsten Strahlquerschnitts des abzutastenden Lichtstrahls.
Es sind weiterhin Ausführungsformen vorgesehen, bei denen zwischen der Probenlicht-Austrittsfläche des Abtastkörpers und dem Detektor eine Einrichtung zur Lichtsammlung angeordnet ist. Dabei kann die Einrichtung zur Lichtsammlung wenigstens eines der folgenden Elemente beinhalten: eine Linse, eine Gradientenindexlinse, einen Hohlspiegel, einen Lichtleiter, oder einen Hohlleiter.
In einer möglichen Ausführungsform weist der Abtastkörper beabstandet zum Sonden-Bereich zusätzlich einen ersten linienförmigen Sonden-Bereich mit einer lichtablenkenden Strukturierung auf.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform weist der Abtastkörper beabstandet zum Sonden-Bereich zusätzlich einen zweiten linienförmigen Sonden-Bereich mit einer lichtablenkenden Strukturierung auf. Dabei kann der Sonden-Bereich zwischen dem ersten linienförmigen Sonden-Bereich und dem zweiten linienförmigen Sonden-Bereich angeordnet sein.
Die Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen kann eine Scanner-Einrichtung sein, mittels der der Lichtstrahl über den Abtastkörper bewegbar ist.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Abtastkörper mittels der Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen bewegbar in einer ersten Bewegungsrichtung quer zur Längsachse und in einer zweiten Bewegungsrichtung, die von der ersten Bewegungsrichtung unabhängig ist und mit der ersten Bewegungsrichtung eine Abtastfläche aufspannt.
Die erste Bewegungsrichtung zur Abtastung des Lichtstrahls kann erzeugbar sein durch Rotation des Abtastkörpers um eine Drehachse.
Die zweite Bewegungsrichtung zur Abtastung des Lichtstrahls kann erzeugbar sein durch Parallelverschiebung der Drehachse.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der eine erste Bewegungsrichtung zur Abtastung des Lichtstrahls erzeugbar ist durch eine Schwingungsbewegung des Abtastkörpers.
Der Abtastkörper kann in einer dritten Bewegungsrichtung senkrecht zur ersten und zur zweiten Bewegungsrichtung bewegbar sein.
In einer möglichen Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung weiterhin eine Einrichtung zur Aufzeichnung eines zeitlich veränderlichen Signals vom Detektor, sowie eine Auswertungs-Einrichtung zur Bestimmung mindestens eines Parameters aus der folgenden Gruppe von Parametern des Lichtstrahls: Strahldurchmesser, Strahlprofil, Intensitätsverteilung im Querschnitt des Lichtstrahls, Strahldurchmesser in mehreren Positionen entlang der Achse des Lichtstrahls, Divergenz-Winkel, Strahlparameter-Produkt, Propagationsfaktor, axiale Fokus-Position, Fokusdurchmesser.
Die Vorrichtung kann zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Laserstrahls verwendet werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Es sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen Merkmale kombiniert sein können, die in verschiedenen Figuren dargestellt sind. Es zeigt:

1: Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls.
2: Eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Erfindung mit einem Umlenkspiegel für das Probenlicht und mit einer Drehachse zur Erzeugung einer Abtast-Bewegung.
3: Eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Abtasters, bei dem Streulicht auftreten kann durch reflektierte Lichtstrahlung, die den Sonden-Bereich trifft.
4: Eine schematische Darstellung eines weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Abtasters mit einer keilförmigen Gestalt, bei dem Streulicht auftreten kann durch reflektierte Lichtstrahlung, die im Abtaster durch Totalreflexion geführt wird und vom Detektor empfangen werden kann.
5: Eine schematische Darstellung einer grundlegenden Ausführungsform des Abtastkörpers der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Aussparung. In der Abbildung sind die geometrischen Beziehungen zwischen Lichtstrahl-Eintrittsfläche, Lichtstrahl-Austrittsfläche und Sonden-Bereich in drei verschiedenen Ansichten dargestellt.
6: Eine schematische Darstellung einer Ausführung des Abtastkörpers der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welcher die durch die Aussparung des Abtastkörpers beeinflusste Strahlpropagation gezeigt ist. Durch die Geometrie des Abtastkörpers wird erreicht, dass reflektiertes Licht vom Sonden-Bereich weggelenkt wird, und dass das reflektierte Licht den Abtastkörper wieder verlassen kann, ohne auf den Detektor zu treffen.
7: Ein Plot eines berechneten Abtastvorgangs eines Lichtstrahls mit einem annähernd gaußförmigen Profil, der durch einen bekannten Abtaster wie in 3 dargestellt abgetastet wird, im Vergleich zu einer Abtastung mit einem Abtastkörper mit Aussparung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie beispielsweise in 5 oder 6 gezeigt.
8: Mehrere Plots von berechneten Abtastvorgängen eines Lichtstrahls durch verschiedene Abtastkörper mit unterschiedlicher Länge.
9a: Eine schematische Darstellung der Lichtstrahl-Ausbreitung im erfindungsgemäßen Abtastkörper, wenn der Lichtstrahl den Sonden-Bereich trifft.
9b: Eine schematische Darstellung der Lichtstrahl-Ausbreitung im erfindungsgemäßen Abtastkörper für einen Fall, bei dem der Lichtstrahl noch im Messfeld liegt, aber nicht den Sonden-Bereich trifft.
9c: Eine schematische Darstellung der Lichtstrahl-Ausbreitung im erfindungsgemäßen Abtastkörper für einen Fall, bei dem der Lichtstrahl außerhalb des Messfeldes liegt, und ein reflektierter Anteil den Sonden-Bereich treffen kann.
10: Eine Darstellung einer ersten möglichen Ausführung des Abtastkörpers in drei verschiedenen Ansichten.
11: Eine Darstellung einer zweiten möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
12: Eine Darstellung einer dritten möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
13: Eine Darstellung einer vierten möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
14: Eine Darstellung einer fünften möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
15: Eine Darstellung einer sechsten möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
16: Eine Darstellung einer siebten möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
17: Eine Darstellung einer achten möglichen Ausführung des Abtastkörpers.
18: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Linse, welche die Probenlicht-Austrittsfläche auf den Detektor abbildet.
19: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Linse, die den Sonden-Bereich auf eine vor dem Detektor angeordnete Blende abbildet.
20: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Hohlspiegel als Einrichtung zur Lichtsammlung.
21: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer zusätzlichen abgeschrägten Fläche am Abtastkörper zur Umlenkung des Probenlichts auf den Detektor.
22: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Probenlicht-Umlenkbereich im Abtastkörper und mit einer Linse zur Abbildung des Probenlichts auf dem Detektor.
23: Eine schematische Darstellung eines Teilbereichs des Abtastkörpers in zwei verschiedenen Ansichten mit einer vergrößerten Darstellung des Sonden-Bereichs.
24: Ein Plot von berechneten Abtast-Vorgängen eines Lichtstrahls entlang dreier Abtastspuren.
25: Eine schematische Darstellung in zwei Ansichten eines Teilbereichs des Abtastkörpers mit dem Sonden-Bereich und mit zwei zusätzlichen linienförmigen Sonden-Bereichen, die zum Sonden-Bereich seitlich versetzt sind und zur Erzeugung von Referenz-Signalen vorgesehen sind.
26: Ein Plot von berechneten Abtast-Vorgängen eines Lichtstrahls entlang dreier Abtastspuren mittels eines Abtastkörpers, der zusätzlich zum Sonden-Bereich noch zwei linienförmige weitere Sonden-Bereiche aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER.FIGUREN
1 zeigt eine schematische Darstellung der Erfindung. Ein Laserstrahl oder Lichtstrahl 10 mit einer Achse 11 trifft auf die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 des Abtastkörpers 20, der aus einem transparenten optischen Material besteht und eine stabförmige Grundform in Richtung einer Längsachse 19 aufweist. Der stabförmige Abtastkörper 20 hat in Richtung der Längsachse 19 eine Länge L und quer dazu eine Querschnittsabmessung D. Der Abtastkörper 20 weist im vorderen Bereich, in dem sich auch die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 befindet, eine Aussparung 21 auf. Die Aussparung 21 bildet am Abtastkörper 20 einen Flächenabschnitt 27 aus. Innerhalb des Flächenabschnitts 27 befindet sich bei der gezeigten Ausführungsform die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. Die Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 ist gegenüber der Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 um einen Winkel a geneigt. Der Lichtstrahl 10 propagiert durch den Abtastkörper 20 und tritt über die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 wieder aus dem Abtastkörper 20 aus. Der Abtastkörper 20 beinhaltet einen Sonden-Bereich 30 mit einer lichtablenkenden Strukturierung. An der lichtablenkenden Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 wird ein Teil des Lichtstrahls 10 in andere Richtungen abgelenkt, wenn der Lichtstrahl 10 auf den Sonden-Bereich 30 trifft. Auf diese Weise wird aus dem Lichtstrahl 10 eine Probe entnommen. Ein Teil des abgelenkten Lichts 17 kann in Richtungen abgelenkt werden, bei der es den Abtastkörper 20 verlässt, ohne auf den Detektor 40 zu treffen. Ein anderer Teil des abgelenkten Lichts 15 wird in Richtungen abgelenkt, bei der das abgelenkte Licht 15 innerhalb des Abtastkörpers 20 zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 geführt wird, an der das abgelenkte Licht 15 den Abtastkörper 20 verlässt. Zumindest ein Teil des abgelenkten Lichts 15 wird vom Detektor 40 erfasst. Zur Vermeidung von unerwünschtem Fremdlicht auf dem Detektor 40 können die Probenlicht-Austrittsfläche 25 und der Detektor 40 gemeinsam von einer Abdeckung 48 umschlossen sein. Der Abtastkörper 20 und der Lichtstrahl 10 sind in mehreren Raumrichtungen 51, 52, 53 relativ zueinander bewegbar.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer teilperspektivischen Ansicht schematisch dargestellt. Der Abtastkörper 20 hat hier beispielsweise eine zylindrische Grundform. Zur Erzeugung einer Relativbewegung 51 zwischen Lichtstrahl 10 und Abtastkörper 20 ist der Abtastkörper 20 auf einer Drehachse 61 drehbar gelagert, welche vorzugsweise parallel zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 ausrichtbar ist bzw. angeordnet ist. Zur Erzeugung einer weiteren Relativbewegung 52 zwischen Lichtstrahl 10 und Abtastkörper 20 sind der Abtastkörper 20 und die Drehachse 61 so an eine Bewegungseinrichtung gekoppelt, dass der Abstand 62 zwischen Achse 11 des Lichtstrahls 10 und Drehachse 61 verstellbar ist. Auf der Drehachse 61 ist ein Umlenkspiegel 43 angeordnet, welcher das über die Probenlicht-Austrittsfläche 25 propagierende abgelenkte Licht 15 in Richtung zum Detektor 40 umlenkt. Der Umlenkspiegel 43 ist vorzugsweise mit dem Abtastkörper 20 starr gekoppelt, rotiert also ebenfalls um die Drehachse 61. Der ebenfalls auf der Drehachse 61 angeordnete Detektor 40 muss jedoch nicht mit dem Abtastkörper 20 und dem Umlenkspiegel 43 starr gekoppelt sein, ist aber vorzugsweise mit der Bewegungseinrichtung gekoppelt, die die Relativbewegung 52 erzeugt, damit die Position des Detektors 40 auf der Drehachse 61 bleibt. Eine Einrichtung 70 zur Signalaufzeichnung registriert das Signal, das vom Detektor 40 proportional zum empfangenen Probenlicht 15 erzeugt wird. Die Einrichtung 70 zur Signalaufzeichnung kann weiterhin auch eine Einrichtung zur Signal-Auswertung beinhalten.
3 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Abtaster 20 mit einer Sonde 30. Ein abzutastender Lichtstrahl 10 tritt über eine Eintrittsfläche 22 in den Abtaster ein und trifft auf die Sonde 30. Dabei wird Streulicht 15 erzeugt, welches von einem Detektor empfangen werden kann. Bei Abtastern der bekannten Art wird ein Teil des abzutastenden Lichtstrahls 10 an der Austrittsfläche 23 des Abtasters reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl 13 läuft zurück durch den Abtaster 20 zur Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22, wo er abermals teilweise reflektiert werden kann und größtenteils den Abtaster verlässt. Ein Lichtstrahl-Anteil 18 propagiert weiter in umgekehrter Richtung zum Lichtstrahl 10. Der reflektierte Lichtstrahl 13 kann auf dem Rückweg durch den Abtaster auf die Sonde 30 treffen und damit zum Streulicht 15 beitragen. Da der Strahl aber inzwischen propagiert ist und einen anderen Durchmesser aufweist, wird durch den Streulichtanteil vom reflektierten Strahl 13 das Abtast-Signal verfälscht.
4 zeigt einen anderen aus dem Stand der Technik bekannten Abtaster 20 mit einer Sonde 30. Dieser Abtaster hat eine keilförmige Gestalt und die Sonde ist im vorderen Bereich angeordnet, wo der Abtaster spitz zuläuft. Der abzutastende Lichtstrahl 10 ist hier vereinfacht als einzelne Linie dargestellt. Bei dieser Art von Abtastern wird der Lichtstrahl beim Verlassen des Abtasters unter einem Winkel reflektiert, so dass der reflektierte Lichtstrahl 13 an der Sonde 30 vorbei propagieren kann. Bei jeder weiteren Reflexion des reflektierten Lichtstrahls 13 im Inneren des keilförmigen Abtasters 20 wird jedoch der Winkel der Strahlung geändert, so dass bereits nach einer sehr geringen Zahl von Reflexionen der Totalreflexionswinkel überschritten wird und der Strahl-Anteil den Abtaster 20 nicht mehr verlassen kann. Dieser Strahl-Anteil kann vom Detektor empfangen werden und so zu einem unerwünschten Untergrund-Signal führen.
In 5 ist der vordere Bereich des Abtastkörpers 20 mit der Aussparung 21 und dem Sonden-Bereich 30 gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in drei verschiedenen Ansichten im Detail dargestellt. Der Abtastkörper 20 hat beispielsweise eine zylindrische Grundform, die sich entlang der Längs-Achse 19 erstreckt. Der Querschnitt der zylindrischen Grundform, d.h. der Querschnitt in einer Querschnittsebene 26 des Abtastkörpers 20 außerhalb des Bereichs der Aussparung 21, ist in diesem Fall kreisförmig und hat eine Querschnitts-Abmessung bzw. einen Durchmesser D. Die Aussparung 21 kann beispielsweise ein schräg verlaufender Anschnitt im vorderen Bereich des Abtastkörpers sein, so dass sich der Querschnitt des Abtastkörpers 20 zum vorderen Ende des zylindrischen Stabes hin verjüngt. Das vordere Ende des Abtastkörpers 20 ist das Ende des Abtastkörpers, welches dem hinteren Ende mit der Probenlicht-Austrittsfläche 25 gegenüberliegt. In der Querschnittsebene 26', in der der Sonden-Bereich 30 angeordnet ist, ist der Querschnitt ein angeschnittener Kreis und die Querschnitts-Abmessung D' entsprechend verringert. Die Aussparung 21 kann auf der Oberseite des Abtastkörpers 20 mit der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 angeordnet sein, oder wie im Ausführungsbeispiel der 5 auf der Unterseite des Abtastkörpers 20 mit der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. In diesem Fall beinhaltet der durch die Aussparung 21 gebildete Flächenabschnitt 27 die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. Der Sonden-Bereich 30 ist an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 oder innerhalb des Abtastkörpers 20 nahe der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 mit einem Abstand d zur Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 angeordnet. Die Querschnittsebene 26' mit dem Sonden-Bereich 30 hat einen Abstand s zum vorderen Ende des Abtastkörpers 20. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 verlaufen schräg zueinander. Die Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 sind in einem Winkel a zueinander angeordnet. Der Winkel a kann in einem Bereich von 5° bis 20° liegen. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und/oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche müssen nicht eben sein, sondern können auch eine Krümmung aufweisen. Im gezeigten Beispiel ist die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 ein Teilbereich der zylindrischen Außenfläche des Abtastkörpers 20. Die Normalen-Richtung zur Fläche ist dann zu verstehen als die lokale Normalen-Richtung in dem Punkt der Fläche, in dem die Messfeld-Achse 24 die jeweilige Fläche durchstößt. Die Messfeld-Achse 24 ist eine gedachte Linie senkrecht zur Längsachse 19, die durch den Sonden-Bereich 30 verläuft und die Längsachse 19 schneidet und die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 mit der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 verbindet. Um die Messfeld-Achse 24 herum erstreckt sich das Messfeld 12. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 erstrecken sich jeweils mindestens über das Messfeld 12.
In 6 ist die Propagation verschiedener Lichtstrahl-Anteile in einem erfindungsgemäßen Abtastkörper 20 ausführlicher dargestellt. Ein abzutastender Lichtstrahl 10 tritt über die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 in den Abtastkörper 20 ein und trifft auf den Sonden-Bereich 30. Dabei wird eine Probe aus dem Lichtstrahl 10 entnommen, indem ein Teil des Lichtstrahls vom Sonden-Bereich 30 abgelenkt wird. Der abgelenkte Strahl-Anteil 15 kann im Abtastkörper 20 zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 propagieren und anschließend vom Detektor empfangen werden. Der ursprüngliche Lichtstrahl 10 propagiert im Abtastkörper zur Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 und verlässt den Abtastkörper 20. Ein Teil des Lichtstrahls 10 wird an der Austrittsfläche 23 des Abtastkörpers 20 reflektiert und läuft innerhalb des Abtastkörpers zurück. Aufgrund des Winkels zwischen der Eintrittsfläche 22 und der Austrittsfläche 23 ist der reflektierte Lichtstrahl 13 verkippt und trifft daher den Sonden-Bereich 30 nicht, so dass kein fehlerhafter Streulicht-Anteil erzeugt wird. Der reflektierte Lichtstrahl 13 kann in einem Zickzack-Verlauf im Abtastkörper 20 propagieren und wird bei jeder Reflexion an den Abtastkörper-Außenflächen abgeschwächt, da der größte Lichtstrahl-Anteil 18 bei jedem Auftreffen transmittiert und aus dem Abtastkörper 20 herausgebrochen wird. Nach wenigen Reflexionen ist der reflektierte Strahl 13 so weit abgeschwächt, dass er praktisch nicht mehr messbar ist. Bei ausreichend großer Länge des Abtastkörpers 20 wird daher durch den verkippt reflektierten Lichtstrahl 13 kein Streulicht auf dem Detektor erzeugt.
Die Auswirkung eines fehlerbehafteten Signals bei der Abtastung eines Lichtstrahls mit einem bekannten Abtaster zeigt 7. In 7 ist das Signal dargestellt, welches bei einer Bewegung des Abtasters durch den Lichtstrahl hindurch vom Detektor empfangen wird. Das Signal stellt also eine einzelne Abtastspur durch den Lichtstrahl dar. Die gestrichelte Kurve zeigt das Signal, welches mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Abtaster ohne Aussparung erzeugt wird. Die logarithmische Skalierung lässt erkennen, dass das Signal aus zwei Signal-Anteilen zusammengesetzt ist: ein zentraler hoher Signal-Puls, der von einem breiteren, um etwa zwei Größenordnungen schwächeren Signal-Anteil überlagert wird. Im Vergleich dazu stellt die durchgezogene Kurve das Signal des gleichen Lichtstrahls dar, der mit einem erfindungsgemäßen Abtastkörper mit Aussparung abgetastet wird. Hier besteht das Signal nur aus dem zentralen hohen Signal-Puls ohne Untergrund-Anteil. Der Lichtstrahl wird somit durch den erfindungsgemäßen Abtastkörper mit Aussparung ohne fehlerhafte Signal-Anteile, also wesentlich genauer abgetastet.
In 8 sind die Signale bei der Abtastung eines Lichtstrahls mit verschiedenen Abtastkörpern dargestellt. Alle Abtastkörper sind erfindungsgemäß mit einer Aussparung ausgestattet, weisen aber unterschiedliche Längen L auf. Dabei ist zu erkennen, dass einige Signal-Kurven einen gleichmäßigen Streulicht-Untergrund haben. Der Streulicht-Untergrund ist umso höher, je kürzer die Länge des Abtastkörpers ist. Wenn die Länge L des Abtastkörpers mindestens viermal so groß ist wie die Querschnitts-Abmessung D des Abtastkörpers, dann ist das Untergrundsignal so gering, dass es praktisch nicht mehr messbar ist. Der Signal-Stör-Abstand beträgt dann mehr als vier Größenordnungen.
Die 9a, 9b und 9c zeigen die Propagation verschiedener Lichtstrahl-Anteile im Abtastkörper 20, ähnlich wie die 6. Der abzutastende Lichtstrahl 10 ist hier vereinfacht als einzelner Strahl ohne seitliche Ausdehnung dargestellt. Die 9a, 9b und 9c unterscheiden sich in der dargestellten relativen Position von Lichtstrahl 10 und Abtastkörper 20 zueinander.
In 9a trifft der Lichtstrahl 10 genau auf den Sonden-Bereich 30. Dabei wird aus dem Lichtstrahl 10 eine Probe entnommen und das Probenlicht 15 erzeugt. Der an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 reflektierte Lichtstrahl 13 ist gegenüber der Achse 11 des ursprünglichen Lichtstrahls 10 verkippt und kann daher den Sonden-Bereich 30 nicht treffen.
In 9b fällt der Lichtstrahl 10 außerhalb des Sonden-Bereichs 30 auf den Abtastkörper, aber innerhalb des Messfeldes 12. Der an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 reflektierte Lichtstrahl 13 ist gegenüber der Achse 11 des ursprünglichen Lichtstrahls 10 ausreichend weit verkippt und trifft daher den Sonden-Bereich 30 nicht.
In 9c fällt der Lichtstrahl 10 soweit außerhalb des Sonden-Bereichs 30 auf den Abtastkörper, dass der reflektierte Lichtstrahl 13 den Sonden-Bereich 30 trifft und somit fehlerhaftes Streulicht 15 erzeugt wird, welches vom Detektor empfangen werden kann. Da der Lichtstrahl 10 aber bereits außerhalb des Messfeldes 12 liegt, wirkt sich das fehlerhafte Streulicht-Signal nicht auf die Rekonstruktion des Strahlprofils aus.
Die 10 bis 17 zeigen beispielhaft verschiedene mögliche Ausführungsformen des Abtastkörpers 20. Zum leichteren Verständnis ist der Abtastkörper 20 in jeder der Figuren in drei verschiedenen Ansichten dargestellt: eine Frontalansicht in einer x-z-Ebene, die die Querschnittsform des Abtastkörpers zeigt (links), eine Seitenansicht in einer y-z-Ebene entlang der Längs-Achse des Abtastkörpers (rechts), und eine räumlich-perspektivische Schräg-Ansicht (unten).
Der Abtastkörper 20 in 10 hat eine zylindrische Grundform. Die Aussparung 21 ist an der Unterseite des Abtastkörpers 20 unterhalb des Sonden-Bereichs 30 angeordnet, so dass der von der Aussparung 21 gebildete Flächenabschnitt 27 die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 beinhaltet. Die Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 ist in einer y-z-Ebene gegenüber der Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 um einen Winkel a geneigt.
Der in 11 dargestellte Abtastkörper 20 hat ebenfalls eine zylindrische Grundform. Die Aussparung 21 ist hier an der Oberseite des Abtastkörpers 20 angeordnet, so dass der von der Aussparung 21 gebildete Flächenabschnitt 27 die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 beinhaltet. Die Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 ist in einer y-z-Ebene gegenüber der Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 um einen Winkel a geneigt.
12 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des Abtastkörpers 20 mit einer zylindrischen Grundform. Hier ist ebenfalls eine Aussparung 21 an der Oberseite des Abtastkörpers 20 angeordnet, und eine zweite Aussparung 21' ist an der Unterseite des Abtastkörpers 20 angeordnet, so dass zwei schräge Flächenabschnitte 27 und 27' am Abtastkörper 20 ausgebildet sind. Der eine Flächenabschnitt 27 beinhaltet die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22, und der andere Flächenabschnitt 27' beinhaltet die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. Wiederum ist die Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 in einer y-z-Ebene gegenüber der Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 um einen Winkel a geneigt.
Bei der in 13 dargestellten Ausführungsform hat der Abtastkörper 20 eine Aussparung 21 an der Unterseite, ähnlich wie die Ausführungsform in 10. Im Unterschied dazu ist die Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 nicht in einer y-z-Ebene, sondern in einer x-z-Ebene gegenüber der Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 um einen Winkel a geneigt. Die Aussparung 21 kann sich daher wie im gezeigten Beispiel auch über die gesamte Länge des Abtastkörpers 20 erstrecken.
Die Ausführungsform in 14 ist vergleichbar mit der Ausführungsform von 10, wobei der Abtastkörper 20 hier keine zylindrische Grundform, sondern eine quaderförmige Grundform aufweist. Der Querschnitt des Abtastkörpers 20 ist also rechteckig oder quadratisch.
Der stabförmige Abtastkörper 20 kann auch andere Querschnittsformen aufweisen. So zeigt 15 beispielhaft einen Abtastkörper 20 mit einer hexagonalen Grundform, d.h. einen Stab mit sechseckigem Querschnitt.
In 16 ist ein Abtastkörper 20 mit einer zylindrischen Grundform und mit einer Aussparung 21 an der Unterseite gezeigt, wobei der Flächenabschnitt 27 so geneigt ist, dass sich der Querschnitt des Abtastkörpers 20 nicht zum Ende des Stabes hin verjüngt, sondern in Richtung zur Mitte des Abtastkörpers hin.
Schließlich zeigt die 17 noch einen weiteren Abtastkörper 20 mit einer zylindrischen Grundform und mit einer Aussparung 21 an der Unterseite. Der durch die Aussparung 21 gebildete Flächenabschnitt 27 ist in diesem Beispiel gleichmäßig gekrümmt.
In 18 ist ein weiterer möglicher Aspekt der Erfindung dargestellt. Zwischen der Probenlicht-Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 ist in diesem Beispiel eine Einrichtung zur Lichtsammlung 44 angeordnet. Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann eine Linse sein, die im gezeigten Ausführungsbeispiel die Probenlicht-Austrittsfläche 25 auf den Detektor 40 abbildet. Der gezeigte Aspekt der Erfindung kann genutzt werden zur Optimierung der Probenlicht-Detektion, wenn der Detektor 40 nicht unmittelbar gegenüber der Probenlicht-Austrittsfläche 25 angeordnet werden soll oder wenn der Detektor 40 bei der Abtastung von Lichtstrahlen 10 nicht mit dem Abtastkörper zusammen mitbewegt werden soll. Durch die Abbildung der Probenlicht-Austrittsfläche 25 auf den Detektor 40 können sowohl Probenlicht-Anteile 15 detektiert werden, die vom Sonden-Bereich 30 direkt in Richtung auf die Probenlicht-Austrittsfläche abgelenkt sind, als auch Probenlicht-Anteile 16 detektiert werden, die innerhalb des Abtastkörpers 20 durch Totalreflexion geführt werden.
Auch bei dem in 19 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen der Probenlicht-Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 eine Einrichtung zur Lichtsammlung 44 angeordnet. Weiterhin ist vor dem Detektor 40 zusätzlich eine Blende 46 angeordnet. Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 bildet den Sonden-Bereich 30 auf die Blende 46 ab. Einerseits kann durch die Sammelwirkung der Linse der Lichtanteil erhöht werden, der vom Detektor 40 erfasst wird, andererseits bewirkt die Abbildung des Sonden-Bereichs 30 auf die Blende 46 vor dem Detektor 40 eine Selektion des empfangenen Lichtanteils. Mittels dieser Probenlicht-Selektion kann unerwünschtes Streulicht ausgeblendet werden. Allerdings kann es auch Strahl-Anteile 16 geben, die zwar durch Totalreflexion innerhalb des Abtastkörpers 20 zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 geführt werden und ein Teil des prinzipiell erwünschten Probenlichts darstellen, aber aufgrund der Selektion durch die Abbildung von der Blende 46 abgeschattet werden und den Detektor 40 nicht erreichen können.
Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann auch gleichzeitig als Umlenkspiegel 43 ausgebildet sein, wie in 20 schematisch dargestellt. Dabei wird das Probenlicht 15 mittels dem als Hohlspiegel ausgebildeten Umlenkspiegel 43 gesammelt und in Richtung auf den Detektor 40 umgelenkt und abgebildet. Eine Anordnung mit einer Umlenkung des Probenlichts ist günstig, wenn die Relativbewegung 51 durch Rotation des Abtastkörpers 20 um eine Drehachse 61 erzeugt wird. Umlenkspiegel 43 und Detektor 40 können auf der Drehachse 61 angeordnet sein. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Detektor 40 mit der Rotationsbewegung gekoppelt ist.
21 zeigt ein Ausführungsbeispiel, der dem der Umlenkspiegel 43 als Teil des Abtastkörpers 20 ausgebildet ist. Dabei ist ein Probenlicht-Umlenkbereich 36 am Abtastkörper 20 ausgebildet im Form einer schrägen Fläche, an der das Probenlicht 15 durch Totalreflexion zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 und zum Detektor 40 umgelenkt wird.
Bei dem in 22 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Probenlicht-Umlenkbereich 36 innerhalb des Abtastkörpers 20 ausgebildet. Der Probenlicht-Umlenkbereich 36 kann beispielsweise ein Bereich mit einer lichtablenkenden oder lichtstreuenden Strukturierung sein. Zusätzlich kann, wie ebenfalls in 22 dargestellt, eine Einrichtung zur Lichtsammlung 44, wie zum Beispiel eine Linse, zwischen der Probenlicht-Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 angeordnet sein.
23 zeigt, dass der Sonden-Bereich 30 ausgebildet sein kann durch eine Vielzahl von Struktur-Einzelheiten 31. Dadurch kann dem Sonden-Bereich 30 gezielt eine gewünschte Dichteverteilung und/oder Form oder Kontur gegeben werden. Im gezeigten Beispiel ist der durch die Struktur-Einzelheiten gebildete Sonden-Bereich 30 kugelförmig mit einem Durchmesser als Abmessung 33.
In 24 ist eine Auftragung des Signals vom Detektor 40 über der x-Position des Sonden-Bereichs 30 bzw. des Abtastkörpers 20 relativ zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 dargestellt. Es ist also das Signal aufgetragen, welches beispielsweise bei der Abtastung in der Bewegungsrichtung 51 erhalten wird, und zwar für drei verschiedene y-Positionen, d.h. für drei Positionen entlang der Bewegungsrichtung 52. Dabei wurde die Abtastung eines Lichtstrahls mit im Wesentlichen gaußförmigem Strahlprofil simuliert. Die drei aufgetragenen Kurven zeigen also beispielhaft das Signal aus drei parallel zueinander versetzten Abtastspuren. Bei ausreichend dicht gelegten Abtastspuren kann somit das zweidimensionale Strahlprofil in der abgetasteten Ebene rekonstruiert werden.
25 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen Abtastkörper 20, der zusätzlich zum Sonden-Bereich 30 noch zwei weitere linienförmige Sonden-Bereiche 35, 35' aufweist, die zum Sonden-Bereich 30 seitlich versetzt sind. Die Länge der linienförmigen Sonden-Bereiche 35, 35' entspricht ungefähr der Abmessung des Messfeldes 12. Die linienförmigen Sonden-Bereiche 35, 35' sind in diesem Beispiel außerhalb des Messfeldes 12 angeordnet, können aber auch innerhalb des Messfeldes 12 angeordnet sein. Bei der Abtastung eines Lichtstrahls 10 entlang der Bewegungsrichtung 51 werden somit nacheinander bis zu drei Signal-Pulse erzeugt. Der erste und der letzte Signal-Puls, also die von den linienförmigen Sonden-Bereichen 35, 35' erzeugten Signale, können als Referenz-Signal zur Synchronisation der Abtastspuren verwendet werden.
In 26 ist ein Plot von simulierten Abtast-Vorgängen eines Lichtstrahls dargestellt wie in der 24. Die in der 26 gezeigten Signale werden erzeugt bei der Abtastung eines Lichtstrahls mittels einem Abtastkörper mit zwei zusätzlichen linienförmigen Sonden-Bereichen, wie in 25 dargestellt. Die von den linienförmigen Sonden-Bereichen erzeugten Signalpulse sind bei jeder Abtastung annähernd gleich, auch wenn die y-Position verschoben ist, da sich die linienförmigen Sonden-Bereiche in der y-Richtung erstrecken. Deshalb können die Signal-Kurven anhand der von den linienförmigen Sonden-Bereichen 35, 35' erzeugten Signale, also anhand des ersten und des letzten Signal-Pulses, exakt zueinander in Bezug gesetzt werden, beispielsweise durch „Übereinanderlegen“ der Kurven. Dadurch kann ein Jitter bei der Abtast-Bewegung korrigiert werden. Auf diese Weise kann auch eine langsame gleichförmige Bewegung des Lichtstrahls 10 kompensiert werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur Strahl-Analyse bei Anwendung an Lichtstrahlen oder Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung ungenau sind oder zerstört werden können, und durch Streulicht beispielsweise durch Mehrfach-Reflexionen fehlerbehaftete Signale resultieren können. Demgegenüber soll eine Vorrichtung zur Abtastung von Lichtstrahlen geschaffen werden, die für die Bestimmung von geometrischen Parametern von Laserstrahlen hoher Leistung oder Leistungsdichte geeignet ist, die unempfindlich ist gegenüber Streulicht und die Messungen mit hohem Signal-Stör-Abstand ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls 10 vorgeschlagen, die einen Abtastkörper 20, einen Sonden-Bereich 30, einen Detektor 40, und eine Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen umfasst. Der Abtastkörper 20 besteht aus einem für den Lichtstrahl 10 optisch transparenten Material. Der Abtastkörper 20 weist eine Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22, eine Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 und eine Probenlicht-Austrittsfläche 25 auf. Der Abtastkörper 20 hat eine stabförmige Grundform, d.h. er erstreckt sich in Richtung einer Längsachse 19 über eine Länge L. Senkrecht zur Längsachse 19 hat der Abtastkörper 20 eine Querschnittsebene 26 mit einer Querschnittsabmessung D. Die Querschnittsform des Abtastkörpers senkrecht zur Längsachse 19 kann unterschiedlich sein, beispielsweise rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig, fünfeckig, sechseckig, oder auf anderen Vielecken basieren. Der Abtastkörper 20 hat eine Aussparung 21, welche einen Flächenabschnitt 27 am Abtastkörper 20 ausbildet. Der Flächenabschnitt 27 beinhaltet die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22, die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 und der Sonden-Bereich 30 befinden sich in einem Bereich, der näher an einem ersten Ende des Abtastkörpers 20 liegt, dem vorderen Ende, als an einem zweiten Ende, dem hinteren Ende. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 sind einander gegenüberliegend an Außenflächen des Abtastkörpers 20 angeordnet.
Der Abtastkörper 20 beinhaltet den Sonden-Bereich 30 mit einer lichtablenkenden Strukturierung. Der Sonden-Bereich 30 ist näher an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 als an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 angeordnet. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand d des Sonden-Bereichs 30 zur Eintrittsfläche 22 kleiner oder höchstens gleich einem Zehntel der Querschnittsabmessung D. Der Abstand s des Sonden-Bereichs 30 zum ersten (vorderen) Ende des Abtastkörpers 20 kann mindestens die Hälfte der Querschnittsabmessung D betragen. Eine gedachte Linie, die die Längsachse 19 senkrecht schneidet, verläuft durch den Sonden-Bereich 30 und bildet die Messfeld-Achse 24. Die Messfeld-Achse 24 durchstößt die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. Um die Messfeld-Achse 24 herum erstreckt sich das Messfeld 12. Im Bereich des Messfeldes 12 ist eine störungsfreie Abtastung des Lichtstrahls 10 möglich. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 erstrecken sich zumindest über das Messfeld 12. Das Messfeld 12 kann derart definiert sein, dass bei der Auswertung nur diejenigen Detektor-Signale berücksichtigt werden, die einer Position des Lichtstrahls 10 innerhalb des Messfeldes 12 entsprechen.
Erfindungsgemäß ist die Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 in einem Winkel a im Bereich von 5° bis 20° zur Normalen-Richtung 29 der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 geneigt. Die besondere Wirkung und Bedeutung dieses Winkel-Bereichs wird später erläutert. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 sind somit schräg zueinander angeordnet. Dies wird erreicht, indem sich entweder die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 in dem Flächenabschnitt 27 befindet, der durch die Aussparung 21 am Abtastkörper 20 ausgebildet ist. Um diese Geometrie auszubilden, können der Abtastkörper 20 wie auch die Aussparung 21 unterschiedliche Formen aufweisen, die jeweils miteinander kombiniert werden können. Die 10 bis 17 zeigen eine Reihe von Ausführungsbeispielen für einen erfindungsgemäßen Abtastkörper 20. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und/oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 können auch gekrümmt sein. In solchen Fällen sind die Normalen-Richtungen der jeweiligen Flächen zu verstehen als die lokalen Normalen-Richtungen in dem Punkt der Eintritts- oder Austrittsfläche, in dem die Messfeld-Achse 24 die jeweilige Fläche durchstößt.
In der Querschnittsebene 26' des Abtastkörpers 20, in der der Sonden-Bereich 30 angeordnet ist, hat der Abtastkörper 20 eine Querschnittsabmessung D', die aufgrund der Aussparung 21 kleiner sein kann als die Querschnittsabmessung D in einem Bereich des Abtastkörpers 20 außerhalb der Aussparung. Die Querschnittsabmessung D' ist höchstens um 50% gegenüber der Querschnittsabmessung D in einer Querschnittebene 26 des Abtastkörpers 20 außerhalb der Aussparung 21 reduziert.
Über die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 kann der Lichtstrahl 10 in den Abtastkörper 20 eintreten, durch den Abtastkörper 20 propagieren und an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 wieder austreten. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 sind im Wesentlichen glatt und poliert, um unerwünschtes Streulicht zu vermeiden. Je nach relativer momentaner Position von Abtastkörper 20 und Lichtstrahl 10 zueinander kann der Lichtstrahl dabei auf den Sonden-Bereich 30 treffen. In dem Fall wird durch die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 ein Teil des Lichtstrahls abgelenkt oder gestreut und dadurch eine Probe aus dem Lichtstrahl 10 entnommen. Ein Teil des abgelenkten Lichts 15 kann im Abtastkörper 20 zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 propagieren und dort den Abtastkörper verlassen. Die Probenlicht-Austrittsfläche 25 ist angeordnet in einem Bereich, der näher am zweiten (hinteren) Ende des Abtastkörpers 20 liegt, als am ersten (vorderen) Ende. Die Probenlicht-Austrittsfläche 25 kann beispielsweise die hintere Endfläche des stabförmigen Abtastkörpers sein. Die Probenlicht-Austrittsfläche 25 kann aber auch am Umfang des Abtastkörpers 20 nahe dem hinteren Ende angeordnet sein; die Probenlicht-Austrittsfläche 25 ist in diesem Fall ein Teilbereich der Umfangsfläche des Abtastkörpers 20.
Der Sonden-Bereich 30 kann innerhalb des Abtastkörpers 20 angeordnet sein oder direkt an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22. Der Sonden-Bereich 30 kann als Volumen oder flächig ausgebildet sein. Bei der Abtastung des Lichtstrahls 10 gibt es eine wirksame Fläche des Sonden-Bereichs 30, die durch die zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs 30 in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 definiert ist. Die wirksame Fläche ist also die zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs 30 auf eine Fläche senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10. Diese wirksame Fläche bestimmt, wie groß die Probe ist, die aus dem Querschnitt des Lichtstrahls 10 entnommen wird. Diese zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs kann in den Bewegungsrichtungen 51 und 52 ungefähr gleich große Abmessungen 33 aufweisen. Die zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs 30 kann beispielsweise ein Quadrat, ein Kreis, oder ein Vieleck sein. Der Sonden-Bereich 30 selbst kann demnach zum Beispiel ein Quader, eine rechteckige Scheibe, eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Kreisscheibe, oder eine elliptische Scheibe sein.
Das optisch transparente Material des Abtastkörpers 20 hat eine geringe Absorption und eine hohe thermo-mechanische Stabilität. Vorzugsweise beträgt die Gesamt-Absorption des Lichtstrahls 10 beim Durchstrahlen des Abtastkörpers 20 weniger als 0,1% bzw. weniger als 1000 ppm (ppm = parts per million). Geeignete Materialien sind beispielsweise Quarzglas, insbesondere synthetisch hergestelltes Quarzglas, Saphir, sowie andere Kristallgläser und optische Gläser mit hohem Transmissionsgrad. Bei Verwendung von Quarzglas ist eine besonders geringe Absorption erzielbar; viele Quarzgläser weisen eine Absorption von unter 100 ppm/cm und teilweise unter 10 ppm/cm auf.
Das Material im Sonden-Bereich 30 des Abtastkörpers 20 kann das gleiche Material sein wie das optisch transparente Material des Abtastkörpers 20. Außerhalb des Sonden-Bereichs 30 propagiert der Lichtstrahl 10 ungestört durch das transparente Material. Innerhalb des Sonden-Bereichs 30 wird der Lichtstrahl 10 durch die lichtablenkende Strukturierung zu einem Bruchteil in andere Richtungen abgelenkt. Die lichtablenkende Wirkung der Strukturierung kann auf Brechung, Reflexion oder Streuung beruhen. Dazu kann innerhalb des Sonden-Bereichs 30 beispielsweise die Dichte oder die Brechzahl des Materials lokale Änderungen aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung kann auch gebildet sein durch eine raue Grenzfläche oder Oberfläche. Die lichtablenkende Strukturierung kann weiterhin gebildet sein durch Hohlräume, Risse oder sonstige Fehlstellen im Material. Das Material im Sonden-Bereich 30 kann auch ganz oder teilweise ein anderes Material sein als das Material des Abtastkörpers 20. Das Material im Sonden-Bereich 30 kann auch eine Dotierung aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 kann auch gebildet sein durch Fluoreszenz-Konverter im Material des Sonden-Bereichs 30, so dass das abgelenkte Licht 15 eine andere Wellenlänge aufweist als der Lichtstrahl 10. Die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich 30 muss nicht gleichförmig, isotrop oder räumlich konstant sein. Die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich 30 kann auch durch eine einzelne oder eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31 gebildet sein. Eine Struktur-Einzelheit 31 kann beispielsweise ein mikroskopischer Riss oder Hohlraum im Material sein, oder eine mikroskopische Veränderung des Materials hinsichtlich Dichte, Brechzahl oder Dotierung.
Der Sonden-Bereich 30 kann beispielsweise aus nur einer einzelnen Struktur-Einzelheit 31 bestehen. Der Sonden-Bereich 30 kann aber ebenso aus einer Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31 bestehen, wie beispielsweise in 23 dargestellt. Dabei können sich die Struktur-Einzelheiten räumlich teilweise überlappen, sie können aber auch zueinander beabstandet sein. Aus der Anzahl von Struktur-Einzelheiten 31 pro Volumeneinheit ergibt sich eine räumliche Dichte der Strukturierung. Die lichtablenkende Wirkung der Strukturierung ist umso größer, d.h. der abgelenkte Licht-Anteil ist größer, je höher die Dichte der Strukturierung ist. Die Verteilungs-Funktion der räumlichen Dichte der Struktur-Einzelheiten kann durch die gezielte Verteilung der Struktur-Einzelheiten 31 innerhalb des Sonden-Bereichs 30 verschiedenen Erfordernissen angepasst werden. Die Verteilungs-Funktion der räumlichen Dichte der Struktur-Einzelheiten kann beispielsweise radialsymmetrisch zum Zentrum des Sonden-Bereichs 30 sein.
Eine Möglichkeit zur Herstellung des Sonden-Bereichs 30 ist die sogenannte Glas-Innengravur. Dabei wird ein ultrakurzer gepulster Laserstrahl innerhalb des optisch transparenten Materials auf einen sehr kleinen, beispielsweise beugungsbegrenzten Fleck fokussiert. Durch die dabei auftretenden extremen Pulsleistungsdichten kann im fokussierten Bereich eine Fehlstelle erzeugt werden. Dabei kann durch Ausnutzung nichtlinearer Effekte der Bereich der Veränderung des Materials eng begrenzt werden. Es ist damit möglich, Fehlstellen mit Abmessungen im Bereich von etwa 1 µm bis einige 10 µm zu erzeugen. Die erzeugten Fehlstellen können Hohlräume, Risse, Trübungen, oder auch lokale, annähernd punktuelle Änderungen der Dichte und/oder der Brechzahl des Materials sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des Sonden-Bereichs 30, insbesondere wenn der Sonden-Bereich 30 an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 angeordnet ist, besteht im selektiven Ätzen. Mit dem sogenannten selektiven Laser-Ätzen können besonders kleine und genaue Strukturen erzeugt werden. Beim selektiven Laser-Ätzen wird in einem ersten Schritt durch eine lokale Laserpuls-Behandlung die Ätzbarkeit des Materials stark erhöht, und in einem zweiten Schritt werden die behandelten Materialstellen durch chemisches Ätzen entfernt.
Der Lichtstrahl 10 und der Abtastkörper 20 sind relativ zueinander bewegbar. Dazu kann die Position des Lichtstrahls 10, beispielsweise mittels einer Scanner-Einrichtung, gesteuert werden, oder der Abtastkörper 20 ist mittels einer Bewegungseinrichtung gegenüber dem Lichtstrahl 10 bewegbar. Es sind zumindest zwei verschiedene, unabhängige Bewegungsrichtungen 51, 52 vorgesehen, die eine Abtastfläche aufspannen. Die durch die Bewegungsrichtungen aufgespannte Abtastfläche kann senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 ausrichtbar sein. Mittels einer Raster-Bewegung in den Bewegungsrichtungen 51 und 52 wird der Sonden-Bereich 30 des Abtastkörpers 20 durch einen Querschnitt des Lichtstrahls 10 geführt und auf diese Weise die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls 10 abgetastet. Beispielsweise kann mit einer ersten Bewegungsrichtung 51 quer zur Längsachse 19 eine Abtastspur durch den Querschnitt des Lichtstrahls 10 erzeugt werden. Mit einer zweiten Bewegungsrichtung 52 in Richtung der Längsachse 19 kann der Abtastkörper 20 um einen kleinen Abstand versetzt werden. Anschließend kann mit einer weiteren Bewegung in der Bewegungsrichtung 51 eine weitere, parallel versetzte Abtastspur durch den Querschnitt des Lichtstrahls 10 erzeugt werden. Auf diese Weise kann der Querschnitt des Lichtstrahls in einer Reihe von parallelen Abtastspuren vollständig abgetastet werden und das zweidimensionale Strahlprofil des Lichtstrahls 10 rekonstruiert werden. Es kann weiterhin eine dritte Bewegungsrichtung 53 vorgesehen sein, die senkrecht zu den Bewegungsrichtungen 51, 52 ausgerichtet ist und parallel zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 ausrichtbar ist. Mit einer Bewegung des Abtastkörpers 20 in dieser Bewegungsrichtung 53 können nacheinander mehrere Querschnitte des Lichtstrahls 10 entlang der Achse 11 abgetastet werden.
Um den Lichtstrahl 10 ohne störendes Streulicht abtasten zu können, ist es vorgesehen, dass das Messfeld 12 größer ist als der Querschnitt des abzutastenden Lichtstrahls. Das Messfeld kann mindestens doppelt so groß sein wie der Durchmesser des Lichtstrahls. Dadurch wird sichergestellt, dass in dem Augenblick, in dem der Sonden-Bereich 30 den Querschnitt des Lichtstrahls 10 bei einer Abtastbewegung erfasst, der Lichtstrahl 10 vollständig innerhalb des Messfeldes 12 liegt und in seiner ganzen radialen Ausdehnung den Abtastkörper 20 zwischen Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 durchsetzt, und sich keine Bereiche des Lichtstrahls außerhalb des Messfeldes 12 befinden, wo unerwünschte abgelenkte Licht-Anteile erzeugt werden könnten und fehlerhafte Signal-Beiträge entstehen könnten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher zur Abtastung von räumlich eng begrenzten Strahlungsfeldern, wie beispielsweise Laserstrahlen, geeignet.
Sobald der Sonden-Bereich 30 den Lichtstrahls 10 zumindest teilweise erfasst, wird aufgrund der lichtablenkenden Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 ein Bruchteil des Lichtstrahls 10 abgelenkt. Die abgelenkten Strahl-Anteile 15, 16, 17 können sich in verschiedene Richtungen ausbreiten. Ein Teil des Lichts 17 kann in Richtungen abgelenkt werden, bei der es den Abtastkörper 20 verlässt, ohne auf den Detektor 40 zu treffen. Ein anderer Teil des abgelenkten Lichts 15 propagiert durch den Abtastkörper 20, tritt an der Probenlicht-Austrittsfläche 25 aus und wird vom Detektor 40 erfasst. Der Detektor 40 ist ein lichtempfindlicher Detektor, beispielsweise eine Fotodiode, der das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal vom Detektor 40 wird während der Abtast-Bewegungen aufgezeichnet; aus den aufgezeichneten Signalen kann dann die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Lichtstrahls 10 bzw. dessen Strahlprofil rekonstruiert werden. Zur Vermeidung von unerwünschtem Fremdlicht auf dem Detektor 40 können die Probenlicht-Austrittsfläche 25 und der Detektor 40 gemeinsam von einer Abdeckung 48 umschlossen sein.
Durch die endliche Ausdehnung des Sonden-Bereichs 30 entspricht der zeitliche Verlauf des am Detektor 40 auftreffenden abgelenkten Lichts 15 und des daraus vom Detektor 40 erzeugten Signalpulses nicht exakt dem Strahlprofil auf der abgetasteten Spur des Querschnitts des Lichtstrahls 10, sondern der Detektor-Signalpuls ist verbreitert. Das Detektor-Signal ist mathematisch betrachtet eine Faltung aus der Abtastfunktion des Sonden-Bereichs 30 mit dem Strahlprofil, sofern die Änderung des Strahlprofils entlang der Strahlachse ausreichend gering ist. Der Sonden-Bereich 30 sollte daher ausreichend klein sein. Beispielsweise beträgt die Vergrößerung der Signal-Pulsbreite nur etwa 12%, wenn die Breite einer ungefähr gaußförmigen Abtastfunktion, die durch die Abmessungen des Sonden-Bereichs definiert ist, die Hälfte des Durchmessers eines ungefähr gaußförmigen Strahlquerschnitts ist. Es ist daher in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abmessung 33 des Sonden-Bereichs 30 in Richtung der ersten Bewegungsrichtung 51 kleiner ist als die Hälfte der Abmessung des kleinsten Strahlquerschnitts des abzutastenden Lichtstrahls 10. Wenn die Breite der Abtastfunktion sehr klein ist gegenüber der Breite des Strahlprofils, beispielsweise 1/10 oder kleiner, dann beträgt die Verbreiterung des Signalpulses nur noch etwa 0,5% oder weniger und kann vernachlässigt werden.
Um die Abtastung von Lichtstrahlen und Laserstrahlen mit sehr hohen Leistungen und Leistungsdichten zu ermöglichen, kann auf die Verwendung von Reflexions-mindernden Beschichtungen auf der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 verzichtet werden, denn Reflexions-mindernde Beschichtungen wie beispielsweise dielektrische Vielfachschichten würden die Zerstörschwelle des Abtastkörpers 20 deutlich herabsenken. Deshalb tritt an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 Fresnel-Reflexion auf, d.h. ein kleiner Anteil des Lichtstrahls 10 wird reflektiert. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Abtastern, wie zum Beispiel in der 3 dargestellt, führt dies dazu, dass der an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 reflektierte Lichtstrahl 13 zurück durch den Abtaster propagiert und den Sonden-Bereich 30 ein zweites Mal trifft, sich also mit dem ursprünglichen Lichtstrahl überlagert, und einen Signal-Beitrag erzeugt. Dieser Signal-Anteil liefert ein fehlerhaftes Signal, da aufgrund der Propagation des Lichtstrahls das Strahlprofil bereits verändert ist, wenn der Sonden-Bereich 30 zum zweiten Mal getroffen wird. Dieser fehlerhafte Signal-Beitrag ist bei der gestrichelten Kurve in 7 zu erkennen.
In 7 ist ein Plot einer einzelnen Abtastspur dargestellt, die durch Modellierung des Abtasters und Simulation der Strahlpropagation mittels Raytracing-Software berechnet wurde. Die gestrichelte Kurve zeigt das Signal, welches mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Abtaster (prior art), also einem Abtaster ohne Aussparung, erzeugt wird. Das Signal ist offensichtlich aus zwei Signal-Anteilen zusammengesetzt: ein zentraler hoher Signalpuls, der von einem breiteren, um etwa zwei Größenordnungen schwächeren Signal-Anteil überlagert wird. Der zentrale hohe Signalpuls entspricht dem erwarteten Verlauf bei der Abtastung eines Lichtstrahls mit ungefähr gaußförmigem Strahlprofil. Der breitere, schwächere Anteil resultiert aus der Fresnel-Reflexion an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23. Die Simulation der Abtastung des Lichtstrahls erfolgte in dem gezeigten Beispiel in einem Querschnitt nahe der Taille bzw. des Fokus des Lichtstrahls. Die Auswirkungen fehlerbehafteter Signal-Anteile durch den reflektierten Strahl können noch wesentlich größer sein, wenn andere Querschnitte des Lichtstrahls abgetastet werden, die von der Strahltaille weiter entfernt sind. Das kann besonders problematisch sein, wenn mehrere Querschnittsebenen des Strahls 10 entlang seiner Achse 11 abgetastet werden sollen, um das Strahlparameter-Produkt, den Strahlpropagationsfaktor, oder den Divergenz-Winkel des Strahls zu bestimmen.
Bei der durchgezogenen Kurve in 7 hingegen fehlt der breitere schwächere Anteil. Die durchgezogene Kurve ist das simulierte Signal der Abtastung des gleichen Lichtstrahls mittels einem erfindungsgemäßen Abtastkörper 20 mit Aussparung 21. Der Unterschied kommt dadurch zustande, dass der an der Austrittsfläche 23 reflektierte Strahl 13 verkippt ist aufgrund der um mindestens 5° geneigten Normalen-Richtung 29 der Austrittsfläche 23 gegenüber der Normalen-Richtung 28 der Eintrittsfläche 22. Der reflektierte Strahl 13 kann dadurch den Sonden-Bereich 30 nicht treffen, wie in den 6 und 9a gezeigt ist. Der Lichtstrahl wird somit durch den erfindungsgemäßen Abtastkörper 20 mit Aussparung 21 ohne fehlerhafte Signal-Anteile, also wesentlich genauer abgetastet.
Ein Mindestwinkel für die Neigung der Normalen-Richtung 29 der Austrittsfläche 23 gegenüber der Normalen-Richtung 28 der Eintrittsfläche 22 kann beispielsweise aus der endlichen Divergenz des abzutastenden Lichtstrahls abgeleitet werden. Bei der Lasermaterialbearbeitung üblicherweise verwendete Laserstrahlen können einen typischen maximalen Öffnungshalbwinkel von 125 mrad aufweisen. Dieser Wert ergibt sich aus einer häufig verwendeten Fokussier-Brennweite der Bearbeitungsoptik von 200 mm bei einem typischen Optik-Durchmesser von 50 mm. Nach der Brechung an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 beträgt der Öffnungshalbwinkel innerhalb des Abtastkörpers 20 etwa 4,8° bei typischen Brechzahlen von 1,5. Um einen solchen Lichtstrahl ohne störende Selbst-Überlagerungen mit dem reflektierten Strahl 13 abtasten zu können, sollte daher der Winkel zwischen der Normalen-Richtung 29 der Austrittsfläche 23 und der Normalen-Richtung 28 der Eintrittsfläche 22 mindestens 5° betragen.
Andererseits darf der Neigungswinkel a zwischen der Normalen-Richtung 29 der Austrittsfläche 23 und der Normalen-Richtung 28 der Eintrittsfläche 22 nicht zu groß sein, sonst würde der reflektierte Strahl 13, wenn er weiter zur Außenfläche des Abtastkörpers propagiert, dort totalreflektiert werden und könnte den Abtastkörper 20 nicht mehr verlassen. Dies würde zu einem deutlich erhöhten Signal-Untergrund führen. Die Neigung des reflektierten Strahls 13 muss daher unterhalb des Totalreflexions-Grenzwinkels bleiben, der bei optischen Materialien mit einer Brechzahl um 1,5 bei knapp 42° liegt. Deshalb ist vorgesehen, dass der Neigungswinkel a zwischen der Normalen-Richtung 29 der Austrittsfläche 23 und der Normalen-Richtung 28 der Eintrittsfläche 22 nicht größer als 20° ist. Somit ergibt sich der erfindungsgemäße Winkel-Bereich von 5° bis 20°.
Für die Abtastung von Strahlen mit höherer Divergenz kann auch ein größerer Mindestwinkel sinnvoll sein. Es sind daher auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen der Neigungswinkel a zwischen der Normalen-Richtung 29 der Austrittsfläche 23 und der Normalen-Richtung 28 der Eintrittsfläche 22 im Bereich zwischen 10° und 20° liegt.
Ein einzelnes Auftreffen des reflektierten Strahls 13 auf der Abtastkörper-Außenfläche reicht jedoch nicht aus, um den im Abtastkörper 20 verlaufenden Strahl 13 ausreichend zu dämpfen, da zwar ein großer Teil des Strahls an der Außenfläche aus dem Abtastkörper 20 heraus gebrochen wird, ein kleiner Teil aber auch wieder nach innen reflektiert wird, so dass der Strahl im Zickzack-Kurs durch den Abtastkörper 20 verläuft. Wenn bei den nachfolgenden Reflexionen aufgrund der Geometrie des Abtastkörpers der Totalreflexions-Grenzwinkel überschritten wird, dann wird der Rest-Anteil des reflektierten Strahls 13 innerhalb des Abtastkörpers 20 ohne weitere Abschwächung zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 geführt und kann auf dem Detektor ein störendes Untergrund-Signal erzeugen. Dieses Problem tritt typischerweise auf bei aus dem Stand der Technik bekannten keilförmigen Abtastern, wie zum Beispiel in der 4 dargestellt. Bei solchen Abtastern ist der Querschnitt des Abtasters dort, wo der Sonden-Bereich 30 angeordnet ist, sehr klein und nimmt in Richtung der Probenlicht-Austrittsfläche 25 hin stetig zu, so dass der Querschnitt des Abtasters am hinteren Ende um ein Vielfaches größer ist. Um den Effekt des Überschreitens des Totalreflexionswinkels zu vermeiden, muss die Zunahme des Querschnitts begrenzt werden.
Daher sind Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, bei denen in der Querschnittsebene 26' des Abtastkörpers 20, in der der Sonden-Bereich 30 angeordnet ist, die Querschnittsabmessung D' größer oder mindestens gleich der Hälfte der Querschnittsabmessung D in einer Querschnittsebene 26 im Bereich des Abtastkörpers 20 außerhalb der Aussparung 21 ist. Die dafür relevanten Querschnittsabmessungen D und D' sind die Abmessungen in Richtung der Messfeld-Achse 24.
Der Abtastkörper 20 sollte weiterhin eine gewisse Länge L aufweisen, damit die innerhalb des Abtastkörpers reflektierten Lichtstrahl-Anteile 13 durch eine ausreichend große Anzahl von Reflexionen auf eine praktisch nicht mehr störende Größe reduziert werden. Eine sinnvolle Grenze kann darin gesehen werden, dass das durch die reflektierten Lichtanteile erzeugte Untergrundsignal kleiner als der Dynamik-Bereich des Detektors oder der elektronischen Signal-Aufbereitung sein sollte. Eine Digitalisierung eines elektrischen Signals mit 16 Bit ist Stand der Technik. Der Dynamik-Bereich von Halbleiter-Fotodetektoren ist nach unten durch Dunkelstrom begrenzt und ist typischerweise eher etwas kleiner als 16 Bit. Ein Untergrund-Signal in Höhe von 1/65000, also einem Bit bei einer Wortlänge von 16 Bit, wäre also praktisch nicht mehr nachweisbar. 8 zeigt simulierte Abtast-Signale für drei verschiedene Abtastkörper mit unterschiedlichen Längen. Alle Kurven zeigen einen zentralen hohen Signalpuls, der dem erwarteten Verlauf bei der Abtastung eines Lichtstrahls mit ungefähr gaußförmigem Strahlprofil entspricht. Die Kurven zeigen teilweise außerdem einen gleichmäßigen Signal-Untergrund, dessen Höhe bei zunehmender Länge L des Abtastkörpers sinkt. Bei der durchgezogenen Kurve, die eine Abtastung mit einem Abtastkörper simuliert, dessen Länge L gleich der vierfachen Querschnittsabmessung D beträgt, ist der Signal-Untergrund gerade nicht mehr erkennbar. Der Signal-Stör-Abstand beträgt bei diesem Abtastkörper mehr als ca. 40000:1, also über vier Größenordnungen, womit ein eventuell noch vorhandener Signal-Untergrund praktisch nicht mehr nachweisbar ist.
Daher sind auch Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, bei denen der Abtastkörper 20 in Richtung der Längsachse 19 eine Länge L aufweist, die mindestens das vierfache der Querschnitts-Abmessung D des Abtastkörpers 20 beträgt.
Es sind weiterhin Ausführungsformen vorgesehen, bei denen der Abstand des Sonden-Bereichs 30 zum hinteren Ende des Abtastkörpers 20, in dessen Nähe die Probenlicht-Austrittsfläche 25 angeordnet ist, mindestens das dreifache der Querschnitts-Abmessung D des Abtastkörpers 20 beträgt. So kann erreicht werden, dass der Strahlweg für unerwünschte reflektierte Strahl-Anteile zur Probenlicht-Austrittsfläche 25 innerhalb des Abtastkörpers 20 lang genug ist, um durch mehrfache Reflexionen ausreichend abgeschwächt zu werden.
Die Erfindung weist aufgrund ihrer Merkmale gegenüber dem Stand der Technik wesentliche Vorteile auf:

- Die Vorrichtung erlaubt die Abtastung und Vermessung von Lichtstrahlen und Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung und/oder Leistungsdichte. Gegenüber üblichen Vorrichtungen mit Abtastung durch eine Lochblende oder ein Pinhole kann die Leistung oder Leistungsdichte des Strahls um viele Größenordnungen höher liegen. Auch die direkte Abtastung eines Strahls im Bereich eines Strahlfokus wird ermöglicht.
- Die Vorrichtung erlaubt die Abtastung und Vermessung von Lichtstrahlen und Laserstrahlen mit hoher Ortsauflösung in allen Raumrichtungen.
- Fehlerhafte Abtast-Signale, die durch Selbst-Überlagerung vom abzutastenden Lichtstrahl mit reflektierten Strahl-Anteilen entstehen, und Untergrund-Signale, die bei bekannten Abtastern mit einem transparenten Abtastkörper auftreten, sind bei der vorliegenden Erfindung reduziert oder beseitigt.
- Die Vorrichtung ermöglicht eine Abtastung und Vermessung mit sehr hoher Dynamik und sehr hohem Signal-Stör-Abstand.
- Dadurch wird insbesondere auch eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung von Parametern wie dem Strahlparameter-Produkt oder dem Strahlpropagationsfaktor erreicht, weil der hohe Signal-Stör-Abstand eine genaue Strahlvermessung vieler Strahl-Querschnittsebenen über einen größeren Bereich entlang der Achse eines Laserstrahls erlaubt.

Die Erfindung kann in verschiedenster Weise fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Einige vorteilhafte Ausführungsmöglichkeiten und Fortbildungen sind in den Figuren und den zugehörigen Figurenbeschreibungen dargestellt und erläutert.
Ein Problem bei der Rekonstruktion der zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus den Signalpuls-Verläufen der einzelnen Abtastspuren kann darin bestehen, dass die Signal-Verläufe den korrekten Koordinaten entlang der Bewegungsrichtungen zugeordnet werden müssen. Dazu kann die Abtastbewegung mit einem Positionsgeber gekoppelt sein, dessen Signal mit dem Detektor-Signal synchronisiert werden muss. Insbesondere bei hohen Abtastgeschwindigkeiten kann sich ein kleiner Zeitfehler bei der Synchronisation oder ein Jitter deutlich auswirken und die Genauigkeit beeinträchtigen.
Es ist daher in weiteren Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, die Synchronisation der einzelnen Abtastspuren aus dem Abtastsignal selbst zu gewinnen. Dazu kann im Abtastkörper 20 beabstandet zum Sonden-Bereich 30 ein zusätzlicher linienförmiger Sonden-Bereich 35 mit einer lichtablenkenden Strukturierung angeordnet sein. Der linienförmige Sonden-Bereich 35 ist vorzugsweise quer zur ersten Bewegungsrichtung 51 angeordnet, beispielsweise parallel zur Längsachse 19 des Abtastkörpers. Der linienförmige Sonden-Bereich 35 entnimmt bei einer Abtast-Bewegung eine streifenförmige Probe aus dem gesamten Querschnitt des Lichtstrahls. Die entnommene Probe bzw. die Menge des abgelenkten Lichts ist invariant zur Position entlang der Achse des linienförmigen Sonden-Bereichs 35. Daher hat der durch den linienförmigen Sonden-Bereich erzeugte Signalpuls bei jeder Abtast-Bewegung und jeder parallel versetzten Abtastspur annähernd denselben Verlauf und annähernd dieselbe Signalhöhe. Somit kann dieser Signalpuls als Referenzsignal verwendet werden und die einzelnen Signal-Verläufe können anhand dieses Referenzsignals ausgerichtet werden. Gleichzeitig ist durch Vergleich der einzelnen Referenz-Signale eine Kontrolle möglich, ob der Lichtstrahl 10 zeitlich stationär ist.
Wenn die erste Bewegungsrichtung 51 erzeugt wird durch eine Rotation des Abtastkörpers 20 um eine Drehachse 61, dann kann der linienförmige Sonden-Bereich 35 einen kleinen Winkel zur Längsachse 19 aufweisen, so dass die Achse des linienförmigen Sonden-Bereichs 35 durch die Drehachse 61 verläuft. Auf diese Weise ist der linienförmige Sonden-Bereich 35 senkrecht zur lokalen Tangente an die durch die Bewegungsrichtung 51 erzeugte Abtastspur ausgerichtet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn im Abtastkörper 20 zwei zusätzliche linienförmige Sonden-Bereiche 35, 35' angeordnet sind, beispielsweise jeweils ein linienförmiger Sonden-Bereich auf jeder Seite des Sonden-Bereichs 30, so das der Sonden-Bereich 30 ungefähr mittig zwischen den linienförmigen Sonden-Bereichen 35, 35' liegt. Eine solche Ausführung ist in 25 beispielhaft dargestellt. 26 zeigt berechnete Abtast-Signale, die mit einem derartigen Abtastkörper 20 bei der Abtastung eines Lichtstrahls erzeugt werden. Dabei werden somit nacheinander bis zu drei Signal-Pulse erzeugt. Der erste und der letzte Signal-Puls, also die von den linienförmigen Sonden-Bereichen 35, 35' erzeugten Signale, dienen als Referenz-Signale. Der Verlauf und die Höhe der Referenz-Signale sind bei allen Abtastspuren ungefähr gleich, abgesehen von dem bei der Raytracing-Simulation auftretenden Statistik-Rauschen. Bei dieser Abtastkörper-Ausführung kann nicht nur ein Jitter der Abtast-Bewegung kompensiert werden, auch eine Schwankung der Abtast-Geschwindigkeit kann erkannt und kompensiert werden.
Zur Ausführung der Abtast-Bewegungen in den Bewegungsrichtungen 51 und 52 sowie gegebenenfalls zusätzlich in der Bewegungsrichtung 53 ist die Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen ausgestattet. Der Abtastkörper 20 kann beispielsweise mit einer Bewegungseinrichtung gekoppelt sein, die aus kartesisch angeordneten Linearführungen mit entsprechenden Antrieben besteht. Solche Einrichtungen sind dem Fachmann geläufig und müssen nicht im Detail erläutert werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der zur Bereitstellung der Bewegungsrichtung 51 der Abtastkörper 20 auf einer Drehachse 61 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 61 schneidet die Längsachse 19 des Abtastkörpers 20 oder die über die Probenlicht-Austrittsfläche verlängerte Längsachse 19. Im gezeigten Beispiel ist die Drehachse 61 senkrecht zur Längsachse 19 angeordnet. Im Schnittpunkt zwischen der Drehachse 61 und der verlängerten Längsachse 19 kann ein Umlenkspiegel 43 angeordnet sein, der das Probenlicht 15 zum Detektor 40 umlenkt und der mit der Drehbewegung des Abtastkörpers gekoppelt ist. Der Detektor 40 kann auf der Drehachse 61 angeordnet sein und so das Probenlicht 15 empfangen, ohne an die Rotation um die Drehachse 61 gekoppelt zu sein. Zur Erzeugung der Bewegung in der zweiten Bewegungsrichtung 52 ist mittels einer weiteren Bewegungseinrichtung, die eine Linearführung mit Antrieb sein kann, die Drehachse 61 parallel verschiebbar. Dadurch ist der Abstand 62 zwischen der Achse 11 des Lichtstrahls 10 und der Drehachse 61 verstellbar. Die Bewegungsrichtung 51 ist in diesem Fall also eine Rotationsbewegung bzw. Kreisumfangsbewegung. Die Abtastspuren sind demnach bei diesem Ausführungsbeispiel parallel versetzte Kreisbahnsegmente. Die Krümmung der Abtastspuren kann bei der Rekonstruktion des Strahlprofils berücksichtig werden, oder sie ist vernachlässigbar bei ausreichend großem Abstand der Drehachse 61 zum Sonden-Bereich 30.
Durch die Fresnel-Reflexion an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 wird ein kleiner Strahl-Anteil in Richtung des ankommenden Lichtstrahls 10 rückreflektiert. Bei Lichtstrahlen mit sehr hoher Leistung könnte dieser rückreflektierte Anteil unerwünschte Effekte an der Lichtstrahl-emittierenden Einrichtung oder in der Umgebung verursachen. Es kann daher vorteilhaft sein, eine ausreichende Aufweitung des an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 rückreflektierten Strahlanteils vorzusehen. Dazu kann die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 eine Krümmung, insbesondere eine konvexe Krümmung aufweisen. Durch eine gekrümmte Fläche wird der rückreflektierte Anteil im Raum verteilt, wenn bei der Abtastung der Abtastkörper durch den Lichtstrahl geführt wird, und es gibt keine gerichtete Reflexion. Bei den in den 2, 5, 10, 13, 16, 17, 23 und 25 gezeigten Ausführungsbeispielen wird dies erreicht durch Verwendung eines zylindrischen Stabes als Abtastkörper 20, bei dem die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 als Teilbereich der zylindrischen Umfangsfläche des Abtastkörpers 20 ausgebildet ist. Dadurch hat die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 eine zylindrisch konvexe Krümmung.
Die Vorrichtung mit dem Abtastkörper 20 kann beispielsweise so ausgerichtet sein, dass die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 ungefähr senkrecht zur Strahlachse 11 steht. Die Vorrichtung kann aber auch so zum Lichtstrahl 10 ausgerichtet sein, dass die Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 um einen Winkel zur Strahlachse 11 geneigt ist, so dass die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 schräg zum Lichtstrahl 10 steht. Da die Fresnel-Reflexion von der Polarisationsrichtung abhängig ist, können sich dadurch beim in den Abtastkörper transmittierten Lichtstrahl die relativen Intensitäten des Lichtstrahls in den beiden Polarisationsrichtungen ändern, was für die Strahlvermessung unerwünscht ist. Die relative Änderung der Polarisations-Anteile sollte kleiner als 1% oder auch kleiner als 0,1% sein. Es können daher Anordnungen bzw. Ausrichtungen der Vorrichtung vorgesehen sein, bei denen die Neigung der Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 zur Strahlachse 11 höchstens 17° beträgt. Es sind weiterhin auch Anordnungen vorgesehen, bei denen die Neigung der Normalen-Richtung 28 der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 zur Strahlachse 11 höchstens 6° beträgt.
Der Abtastkörper 20 kann einen Probenlicht-Umlenkbereich 36 umfassen. Der Probenlicht-Umlenkbereich 36 lenkt zumindest einen Teil des vom Sonden-Bereich 30 abgelenkten Strahlanteils 15 in Richtung zum Detektor 40 um. Der Probenlicht-Umlenkbereich 36 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass der Probenlicht-Umlenkbereich 36 eine lichtablenkende Strukturierung im Material des Abtastkörper 20 aufweist. Die lichtablenkende Strukturierung des Probenlicht-Umlenkbereichs 36 kann in ähnlicher Weise ausgeführt sein wie die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30. Der Probenlicht-Umlenkbereich 36 kann auch eine abgeschrägte Fläche des Abtastkörpers 20 sein. Die 21 und 22 zeigen beispielhaft derartige Ausführungsformen.
Zwischen der Probenlicht-Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 können weitere Elemente zur Optimierung der Strahlführung des vom Sonden-Bereich 30 abgelenkten Lichtanteils 15 vorgesehen sein. Mögliche Elemente sind Einrichtungen zur Lichtsammlung, Umlenkspiegel, lichtstreuende Flächen, oder Blenden. Mittels einer Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann das aus der Probenlicht-Austrittsfläche 25 austretende abgelenkte Licht 15 auf den Detektor 40 fokussiert werden. Damit kann der vom Detektor 40 erfasste Lichtanteil erhöht werden und somit der Signal-Pegel vergrößert werden. Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann auch verwendet werden, um den Sonden-Bereich 30 direkt auf den Detektor 40 abzubilden. Damit kann erreicht werden, dass der Detektor 40 selektiv nur Licht erfasst, welches vom Sonden-Bereich 30 abgelenkt wurde. Auf diese Weise kann die Fremdlicht-Unterdrückung noch weiter verbessert werden. Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann beispielsweise eine Linse, einen Hohlspiegel, einen Lichtleiter oder einen Hohlleiter umfassen. Die Linse kann eine beliebige Art von Linse sein, d.h. eine sphärische oder asphärische Einzellinse, ein Linsensystem, oder eine Gradientenindexlinse. Ein Umlenkspiegel 43 kann hilfreich sein zur Entkopplung der Bewegung des Abtastkörpers 20 vom Detektor 40. Eine lichtstreuende Fläche kann günstig sein zur Verminderung oder Elimination von Richtungs-Abhängigkeiten in der Detektions-Empfindlichkeit. Die 18 bis 20 und 22 zeigen Beispiele für die genannten Ausführungsmöglichkeiten.
Eine Einrichtung zur Lichtsammlung kann auch mit der Probenlicht-Austrittsfläche 25 kombiniert sein, beispielsweise mittels einer konvex ausgeformten Probenlicht-Austrittsfläche 25.
Die Erfindung kann verwendet werden beispielsweise zur Bestimmung eines oder mehrerer der folgenden Parameter eines Lichtstrahls 10: Strahldurchmesser, Strahlprofil, Intensitätsverteilung, relative Leistungsdichte. Wenn bei der Bewegungseinrichtung der Vorrichtung außer den Bewegungsrichtungen 51 und 52 zusätzlich eine Verstell- oder Antriebsmöglichkeit in der dritten Bewegungsrichtung 53 parallel zur Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 vorgesehen ist, dann ist weiterhin auch die Bestimmung eines oder mehrerer folgender Parameter möglich: Divergenz-Winkel, Strahlparameter-Produkt, Propagationsfaktor, axiale Fokusposition, Fokusdurchmesser.
Die Erfindung kann verwendet werden zur Abtastung von Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung und/oder Leistungsdichte. Der Laserstrahl kann eine Leistung von bis zu 1000 W und auch wesentlich darüber aufweisen, beispielsweise auch 100 kW und darüber. Der Laserstrahl kann im Fokus eine Leistungsdichte von bis zu 5 MW/cm² oder auch mehrere Größenordnungen höher aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Lichtstrahl
11: Lichtstrahl-Achse
12: Messfeld
13: an Lichtstrahl-Austrittsfläche reflektierter Lichtstrahl
15: abgelenkter Strahl-Anteil in Richtung zum Detektor (Probenlicht)
16: abgelenkter Strahl-Anteil
17: abgelenkter Strahl-Anteil
18: Lichtstrahl-Anteil
19: Längsachse
20: Abtastkörper
21: Aussparung
21': Aussparung
22: Lichtstrahl-Eintrittsfläche
23: Lichtstrahl-Austrittsfläche
24: Messfeld-Achse
25: Probenlicht-Austrittsfläche
26: Querschnittsebene des Abtastkörpers
26': Querschnittsebene des Abtastkörpers im Bereich der Aussparung
27: Flächenabschnitt
27': Flächenabschnitt
28: Normalen-Richtung der Lichtstrahl-Eintrittsfläche
29: Normalen-Richtung der Lichtstrahl-Austrittsfläche
30: Sonden-Bereich
31: Struktur-Einzelheit
33: Abmessung des Sonden-Bereichs
35: linienförmiger Sonden-Bereich
35': linienförmiger Sonden-Bereich
36: Probenlicht-Umlenkbereich
40: Detektor
43: Umlenkspiegel
44: Einrichtung zur Lichtsammlung
46: Blende
48: Abdeckung
51: erste Bewegungsrichtung quer zur Längsachse
52: zweite Bewegungsrichtung
53: dritte Bewegungsrichtung
61: Drehachse
62: Abstand zwischen Lichtstrahl-Achse und Drehachse
70: Einrichtung zur Signalaufzeichnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19909595 A1 [0007]
WO 2009/000500 A1 [0007]
DE 102005038587 A1 [0008]
DE 102011006553 A1 [0008]
WO 9850196 A1 [0010]
US 6476908 B1 [0012]
DE 102015016240 B3 [0013]

Claims

Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls (10), enthaltend einen Abtastkörper (20) mit einer Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22), mit einer Lichtstrahl-Austrittsfläche (23), mit einer Probenlicht-Austrittsfläche (25), und mit einem Sonden-Bereich (30), weiterhin enthaltend einen Detektor (40) und eine Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen zwischen dem Abtastkörper (20) und dem Lichtstrahl (10), - wobei der Abtastkörper (20) in Richtung einer Längsachse (19) stabförmig ausgedehnt ist und aus einem lichtleitenden, für den Lichtstrahl (10) transparenten Material besteht, - wobei der Abtastkörper (20) eine Aussparung (21) zur Ausbildung eines Flächenabschnitts (27) am Abtastkörper (20) aufweist, und der Flächenabschnitt (27) die Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) oder die Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) beinhaltet, - wobei eine Normalen-Richtung (28) der Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) in einem Winkel (a) im Bereich von 5° bis 20° zu einer Normalen-Richtung (29) der Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) geneigt ist, - wobei der Abtastkörper (20) den Sonden-Bereich (30) beinhaltet, - wobei der Sonden-Bereich (30) in einer Querschnittsebene (26') des Abtastkörpers (20) angeordnet ist, die sich im Bereich der Aussparung (21) befindet, - wobei eine Querschnittsabmessung (D') des Abtastkörpers (20) in der Querschnittsebene (26'), in der der Sonden-Bereich (30) angeordnet ist, mindestens 50% einer Querschnittsabmessung (D) des Abtastkörpers (20) in einer Querschnittsebene (26) außerhalb der Aussparung (21) beträgt, - wobei der Sonden-Bereich (30) eine lichtablenkende Strukturierung aufweist, und - wobei der Detektor (40) angeordnet ist zur Erfassung von wenigstens einem Teil eines vom Sonden-Bereich (30) aus dem Lichtstrahl (10) abgelenkten Strahl-Anteils (15).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abtastkörper (20) in Richtung der Längsachse (19) eine Länge (L) aufweist, die mindestens das vierfache der Querschnitts-Abmessung (D) des Abtastkörpers (20) beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Abstand des Sonden-Bereichs (30) zu einem hinteren Ende des Abtastkörpers (20) mit der Probenlicht-Austrittsfläche (25) mindestens das dreifache einer Querschnitts-Abmessung (D) des Abtastkörpers (20) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein ein Abstand (s) des Sonden-Bereichs (30) in Richtung der Längsachse (19) zu einem vorderen Ende des Abtastkörpers mindestens die Hälfte der Querschnitts-Abmessung (D) des Abtastkörpers (20) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Abstand des Sonden-Bereichs (30) zur Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) höchstens ein Zehntel der Querschnitts-Abmessung (D) des Abtastkörpers (20) beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs (30) durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten (31) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs (30) hergestellt ist mittels eines fokussierten Kurzpuls-Lasers.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Abmessung (33) des Sonden-Bereichs (30) kleiner ist als die Hälfte einer Abmessung des kleinsten Strahlquerschnitts des abzutastenden Lichtstrahls (10).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zwischen der Probenlicht-Austrittsfläche (25) des Abtastkörpers (20) und dem Detektor (40) eine Einrichtung (44) zur Lichtsammlung angeordnet ist, und wobei die Einrichtung (44) zur Lichtsammlung wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst: eine Linse, eine Gradientenindexlinse, einen Hohlspiegel, einen Lichtleiter, oder einen Hohlleiter.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Abtastkörper (20) beabstandet zum Sonden-Bereich (30) zusätzlich einen ersten linienförmigen Sonden-Bereich (35) mit einer lichtablenkenden Strukturierung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Abtastkörper (20) beabstandet zum Sonden-Bereich (30) zusätzlich einen zweiten linienförmigen Sonden-Bereich (35') mit einer lichtablenkenden Strukturierung aufweist, wobei der Sonden-Bereich (30) zwischen dem ersten linienförmigen Sonden-Bereich (35) und dem zweiten linienförmigen Sonden-Bereich (35') angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen eine Scanner-Einrichtung ist, mittels der der Lichtstrahl (10) über den Abtastkörper (20) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Abtastkörper (20) mittels der Einrichtung zur Bereitstellung von Relativbewegungen bewegbar ist in einer ersten Bewegungsrichtung (51) quer zur Längsachse (19) und in einer zweiten Bewegungsrichtung (52), die von der ersten Bewegungsrichtung (51) unabhängig ist und mit der ersten Bewegungsrichtung (51) eine Abtastfläche aufspannt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die erste Bewegungsrichtung (51) zur Abtastung des Lichtstrahls (10) erzeugbar ist durch Rotation des Abtastkörpers (20) um eine Drehachse (61).
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die zweite Bewegungsrichtung (52) zur Abtastung des Lichtstrahls (10) erzeugbar ist durch Parallelverschiebung der Drehachse (61).
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei eine erste Bewegungsrichtung (51) zur Abtastung des Lichtstrahls (10) erzeugbar ist durch eine Schwingungsbewegung des Abtastkörpers (20).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Abtastkörper (20) in einer dritten Bewegungsrichtung (53) senkrecht zur ersten und zur zweiten Bewegungsrichtung (51, 52) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, weiterhin umfassend - eine Einrichtung (70) zur Aufzeichnung eines zeitlich veränderlichen Signals vom Detektor (40), sowie - eine Auswertungs-Einrichtung zur Bestimmung mindestens eines Parameters aus der folgenden Gruppe von Parametern des Lichtstrahls (10): Strahldurchmesser, Strahlprofil, Intensitätsverteilung im Querschnitt des Lichtstrahls, Strahldurchmesser in mehreren Positionen entlang der Achse des Lichtstrahls, Divergenz-Winkel, Strahlparameter-Produkt, Propagationsfaktor, axiale Fokus-Position, Fokusdurchmesser.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Laserstrahls.