EP3516351A1 - Measuring device and methods for the characterization of a radiation field, more particularly of laser radiation - Google Patents

Measuring device and methods for the characterization of a radiation field, more particularly of laser radiation

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EP3516351A1
EP3516351A1 EP16781284.1A EP16781284A EP3516351A1 EP 3516351 A1 EP3516351 A1 EP 3516351A1 EP 16781284 A EP16781284 A EP 16781284A EP 3516351 A1 EP3516351 A1 EP 3516351A1
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EP
European Patent Office
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radiation
radiation field
field
detector
scattered
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16781284.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Frank Killich
Uwe Engeland
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Lavision Biotec GmbH
Original Assignee
Lavision Biotec GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Lavision Biotec GmbH filed Critical Lavision Biotec GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • GPHYSICS
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    • G01J1/0266Field-of-view determination; Aiming or pointing of a photometer; Adjusting alignment; Encoding angular position; Size of the measurement area; Position tracking; Photodetection involving different fields of view for a single detector
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    • G01J1/04Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0411Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using focussing or collimating elements, i.e. lenses or mirrors; Aberration correction
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    • G01J1/04Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
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    • G01J1/0414Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using plane or convex mirrors, parallel phase plates, or plane beam-splitters
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    • G01J1/0425Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using optical fibers

Definitions

  • the invention relates to a radiation field measuring device and method for characterizing a radiation field of electromagnetic radiation, in particular laser radiation, based on the detection of scattered radiation, which generates the radiation field in a medium.
  • Applications of the invention are in the monitoring and / or control of radiation sources, in particular laser sources for the material processing, and of radiation-based methods, for. B. for material processing or measurement purposes given.
  • the online monitoring of laser cutting or welding systems should avoid influencing or destroying the light distribution of a working beam. Even if only a part of the radiation field to be examined is separated from a main beam and examined separately (see eg DE 101 49 823 A1), the optics used for the separation, eg. As by pollution, affect the application of the main beam.
  • invasive procedures are limited to the study of low power density radiation fields.
  • Optics such. As mirrors, prisms, filters and / or lenses, in the beam path of the radiation field to be examined can be destroyed at high power densities. For this reason, it is usually not possible, for. B. to directly examine the radiation field in the focus of laser radiation with an invasive procedure.
  • invasive methods for measuring a radiation field in particular in the case of monochromatic radiation (eg in the case of a cw laser), are prone to artifacts due to diffraction of defects or impurities on the optics, eg. B. lens surfaces, which can lead to interference, is hardly avoidable and the accuracy of the measurement impaired.
  • Non-invasive methods have the advantage that they are applicable in particular at high radiation intensities and that the radiation field to be examined by the measurement is not affected.
  • US 8 988 673 B2 describes a non-invasive method in which the scattered light of a laser beam, when passing through a gas, is picked up by a camera in order to measure the shape of the pharoid beam (of the entire beam).
  • ⁇ ser 2D images scattered radiation to be measured which represent projections of the intensity distribution of the laser beam on planes parallel to the beam direction.
  • the method according to US Pat. No. 8,988,673 B2 has the disadvantage that neither transaxial 2D sections nor SD volume reconstructions of the laser beam can be determined.
  • a sequence of 2-D projections of the radiation field could be achieved, for example by the repeated movement of a camera along a predetermined linear profile. The measurement of a single
  • a general problem of conventional techniques for investigating radiation fields is that they are limited to the detection of individual properties and are not suitable for a complete characterization of the radiation field by only one measurement.
  • non-invasive methods for the simultaneous determination of several parameters of the radiation field such.
  • the simultaneous detection of several properties of the radiation field has hitherto only been achieved by the combination or temporally successive application of different measuring methods, which increases the complexity of the examination.
  • several measurements can be made by their each ne ⁇ gativ affect respective influence of the radiation field, thereby impairing an accurate representation of the radiation field or even mutually exclusive.
  • the use of temporally successive measurements would be limited to invariable radiation fields and, for the investigation, for B. of individual laser ⁇ pulses or of transient light distributions unsuitable.
  • the object of the invention is to provide an improved radiation field measuring device and an improved method for characterizing a radiation field of electromagnetic radiation, in particular laser radiation, with which disadvantages of conventional techniques are avoided.
  • the invention is intended in particular to enable non-invasively more properties of a radiation field capture, and / or characterize the radiation field with increased spatial resolution, accuracy and / or reproducibility, and / or to create new applications of characterization of a radiation field.
  • a measurement and reconstruction of the radiation field should be achieved by the application of only one measuring method as possible. This should be possible in particular by a single measurement or multiple time-resolved individual measurements.
  • the radiation field measuring device should be distinguished, in particular, by a simplified technical structure and / or an extended field of application.
  • said object is achieved by a radiation field Measuring device (also referred to as scatter radiation tomography) for the characterization of a radiation field which passes a medium in a longitudinal direction (beam direction) by ⁇ , dissolved, the (graphie- tomography) a detector device and a reconstruction device comprises.
  • a radiation field Measuring device also referred to as scatter radiation tomography
  • the (graphie- tomography) a detector device and a reconstruction device comprises.
  • the detector device comprises at least one detector camera with at least one detector array, which is arranged for image acquisition of scattered radiation which is generated in the medium by the radiation field and in a plurality of side directions (rotational directions) is addressed, which differ from the Lon ⁇ gitudinalraum.
  • the reconstruction device for characterizing the radiation field by means of a computer-tomographic spatially resolved reconstruction (referred to here as tomographic reconstruction) of a field density (energy or power density, spatial distribution) of the scattered radiation in the radiation field using
  • tomographic reconstruction a computer-tomographic spatially resolved reconstruction of a field density (energy or power density, spatial distribution) of the scattered radiation in the radiation field using
  • the characterization of the radiation field generally comprises the determination of the field density of the scattered radiation and preferably the determination of beam parameters, in particular geometric beam parameters and / or field beam parameters, of the radiation field and / or the determination of a distribution of scattering particles in the medium.
  • the field density of the scattered radiation is a function of the intensity distribution in the radiation field and thus allows, in particular, the provision of the desired beam parameters.
  • the scattered radiation if Rayleigh scattering is generated from a monochromatic radiation field, is proportional to the intensity distribution in the radiation field.
  • the latter requirement can z. B. can be met by the detector device is equipped with a spectrally selective effective filter, which passes a partial spectral range of the radiation field.
  • the intensity of the radiation field scattering is a linear function of the intensity of the radiation field, then, except for a calibration factor, the tomographic reconstruction based on the scattered radiation will give the 2D or 3D intensity distribution of the radiation field.
  • a quantitative relationship between the field density of the scattered radiation and the intensity distribution in the radiation field can also be determined by calibration measurements or application of scattering models.
  • said object is achieved by the use of the radiation field measuring device according to the first general aspect of the invention in controlling a focus of the radiation field, detecting a temporal drift of an intensity profile of the radiation field, characterizing the radiation field of high-energy lasers, laser-assisted material processing in cutting and joining techniques, manufacturing in semiconductor technology, or therapy and / or surgery by means of laser radiation, and / or monitoring and / or
  • Control of radiation-based processes eg. B. in the control of a radiation source, in particular a laser source solved.
  • a control device for a radiation source is provided.
  • the tomographic reconstruction apparatus considered as independent subject of the invention.
  • the object is achieved by a method for characterizing a radiation field, which passes through a medium in a longitudinal direction, using a radiation field measuring device according to the first general aspect of the invention, wherein an image acquisition of Scattering radiation generated in the medium by the radiation field and directed in a plurality of lateral directions deviating from the longitudinal direction by means of the detecting means, and characterization of the
  • the invention generally enables the characterization of a directional radiation field incoherent radiation or coherent radiation (laser radiation).
  • the characterization of laser radiation is preferably provided, as it favors a reconstruction of the field density of the scattered radiation with a high signal-to-noise ratio.
  • the radiation field can be a continuous radiation field (continuous operation, cw operation) or a pulsed radiation field (pulse operation), whereby the power density and in pulsed operation the energy density of the scattered radiation is reconstructed as field density in continuous operation.
  • the scattered radiation is generated by the radiation field in the medium, which is generally a scattering substance, in particular at least least one gas (or steam), z.
  • a scattering substance in particular at least one gas (or steam), z.
  • gas or steam
  • a liquid, a solid, a plasma, or a particle containing together ⁇ men attitude such.
  • a colloidal solution, an aerosol, smoke, or an emulsion Depending on the nature of the scattering medium, the scattered radiation z. B.
  • scattering mechanisms are each characterized by a specific distribution of scattered radiation (e.g., shape of the lobe or orientation relative to the longitudinal direction of the radiation field) that can be taken into account in the tomographic reconstruction of the field density.
  • the spatial characteristics of the scattered radiation can be determined by a calibration measurement.
  • the image signals of the detector device provide projections of the scattered radiation in the detected lateral directions on the at least one detector array.
  • the reconstruction device is configured to determine at least one sectional image of the scattered radiation in the radiation field from the scattered radiation images, which are recorded in accordance with a number of projections from several different directions (the detected lateral directions) by tomographic reconstruction.
  • the sectional image of the scattered radiation represents the field density of the scattered radiation in the radiation field, in particular the spatial distribution of the scattered radiation in the radiation field, which is a qualitative and quantitative measure of the field distribution of the radiation field.
  • the reconstruction device provides a three-dimensional model of the field distribution of the radiation field.
  • the limitations of conventional techniques are avoided by the use of the scattered tomography scanner by the already occurring in the medium anyway
  • Scattered radiation e.g. based on the Rayleigh scattering of the radiation field or fluorescence on atoms or molecules of the medium, is used to characterize the radiation field comprehensively and with only one measurement.
  • the imperfections of the conventional scattered light imaging 2D method according to US 8 988 673 B2 are remedied by the tomographic radiation field reconstruction, and a complete radiation field reconstruction in a measuring section of interest is achieved without disturbing the radiation distribution.
  • the scatter tomograph operates without contact, i. non-invasive, so that the radiation distribution to be examined is not influenced by the measurement.
  • the scatter tomograph can be set up for an invasive operation, for example if the examined radiation field is to be rotated in the optical setup used for imaging the scattered radiation or if the examined radiation field is to be branched off from a main beam.
  • the invention enables a comprehensive measurement of the
  • Radiation field in particular a three-dimensional reconstruction of the intensity profile of a radiation field in a measurement volume, and the derivative of a variety of
  • the measurement can be carried out free of artifacts, in particular free from interferences, silhouettes and / or diffractions.
  • the scatter tomograph allows the reconstruction of the intensity profile of the examined radiation field also for transient radiation fields and in particular once-only radiation pulses.
  • several transient phenomena of the radiation field in a measuring volume can be recorded simultaneously.
  • the scattered tomograph has a considerably simplified construction compared to the combination of conventional measuring arrangements, which would be required for comprehensive characterization of the radiation field.
  • the invention in contrast to the measured summation image in US Pat. No. 8,988,673 B2, provides a tomographic reconstruction of the radiation field or its beam parameters.
  • the characterization of the radiation field is independent of the direction of observation, since for the tomographic reconstruction anyway a multi-angled detection of the
  • a further advantage of the invention is that the characterization of the radiation field for radiation in different wavelength ranges is made possible.
  • the term "radiation” refers in particular to electromagnetic radiation having a wavelength in the x-ray, UV, VIS, NIR, IR, or microwave range.
  • the detector device for image recording of the scattered radiation is respectively corresponding to a wavelength in the X-ray, UV, VIS, NIR, IR, or microwave range.
  • Particular preference is given to characterizing laser radiation having a wavelength in the UV, VIS, NIR or IR range. But also for other wavelength ranges there are specific advantages.
  • Soft X-ray radiation which is characterized by the method according to the invention, preferably has an energy of 0.1 to 1 keV.
  • the scattering and absorption in air is already comparable to the scattering of visible light in air.
  • the characterization of X-ray radiation is e.g. for applications in the semiconductor industry, in particular for microlithography of interest, for which there are hitherto no suitable non-invasive beam diagnostic methods.
  • the reconstruction device is set up for nonanalytical, in particular algebraic or statistical, tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation.
  • the tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation comprises an iterative algorithm.
  • the tomographic reconstruction with a non-analytical method has advantages compared to analytical methods in the achievable quality and quantifiability of the reconstruction result, in particular by being calculated artifact-free and spatially resolved.
  • Non-analytical methods may e.g. For example, the targeted small projection number otherwise expected sampling artifacts in the reconstruction result wrestlers considerably ver ⁇ . Furthermore, they allow in principle the Be Wegsichti ⁇ account all occurring in the course of Schmakquir réelle, chamba usual degrading the image quality, physical ef ⁇ fect. These may be, for example, the characteristic of the imaging system (the so-called point imaging function, PSF) or, for example, the occurrence of reflection scattered radiation. What is common to all non-analytical methods is that they discreetly perceive space from the outset, including the reconstruction result and the measurement data. That is, the reconstruction result to be determined is decomposed into a plurality of three-dimensional voxels by the discretization of the space; The measured data are correspondingly decomposed into a multiplicity of two-dimensional pixels.
  • PSF point imaging function
  • a first subset of non-analytical reconstruction methods are algebraic reconstruction methods. They invert a linear equation system or determine its pseudoinverse (Moore-Penrose inverse).
  • the multitude of algebraic reconstruction methods is carried out iteratively because of the high degree of complexity of the task, for example with the algorithms ART, MART, or SMART.
  • the tomographic reconstruction is performed with a second subset of the non-analytical reconstruction methods, namely the statistical reconstruction method. These are also performed essentially iteratively. They have particular advantages in the reconstruction based on noisy images of
  • the objective function F (f) consists of at least two components.
  • the tomographic data mismatch term L (y_, f) formulating the imaging requires, within the noise characteristic of the measured data _, the correspondence of the forward projections of f, calculated by applying a system matrix A to f, f, with the measured values y.
  • the system matrix A formulates the measurement geometry and, in principle, takes into account all the physical effects of the generation of measured values.
  • the maximum likelihood term is preferably used as the tomographic data mismatch term, which takes into account the normally occurring Poisson noise characteristic of the scattered radiation.
  • the second component of the objective function is provided because the formulation of the objective function alone by the data mismatch term is a so-called ill-posed problem which, in the course of the iterative minimization process, generally results in noise enhancement of the reconstruction result. Therefore, the target functional is preferably complemented by a Bayesian regularization term R ⁇ f) based on prior knowledge of neighborhood ratios of the voxel values of the reconstruction result.
  • the statistical tomographic reconstruction using the scattered radiation images is preferably carried out analogously to the tomographic reconstruction of emission tomographic measurement data, which is described in US Pat. No. 8,559,690. Accordingly, the target to be minimized ⁇ functionally is preferably supplemented by a third term.
  • the objective function to be minimized is therefore preferably formulated as follows:
  • ⁇ and ⁇ are factors that determine the effect of the respective target functional components.
  • the algorithm to be used for minimizing the target function is arbitrary, as far as it adequately considers the numerically demanding L1-term. This concerns in particular the requirement according to which the voxel values must satisfy the boundary condition f> 0. Therefore, a so-called "Alternating Direction Method of Multipliers" (ADMM) algorithm is preferably used.
  • the characterization of the radiation field comprises ⁇ preference, the determination of beam parameters in a particulate ⁇ free medium. Under practical conditions of use, however, dust particles in the measuring section can cause artifacts and disturbances in the reconstruction.
  • Scatter events used in the medium Several scattered radiation images are time-sequentially recorded ⁇ Lich and artifact pregnant scattering events that result from particles in the medium is eliminated by a statistical analysis of the series of scattered radiation images. This approach is thus based on an effective accounting of several, temporally successive individual measurements, and advantageously requires no predetermined parameters. According to an alternative variant of the invention, it may be provided to reconstruct the field density of the scattered radiation taking into account particles in the medium, which would lead to artefacts of the reconstructed field density without this consideration. Accordingly, for a temporally sufficiently sufficient radiation field, the measurement associated with each projection direction could be carried out several times.
  • Transient scattering events when the repetition frequency of the multiple measurement is matched to the mean moving velocity of the dust particles, are effectively eliminated by pixel-by-pixel median formation.
  • the projection images supplied to the tomographic reconstruction are emptied out.
  • the application of the invention is not limited to the use of non-analytical methods.
  • analytical methods can be used, which are characterized by the fact that they understand the reconstruction result and measurement data as continuous functions and solve a, implicitly simplify the Proj etechnischsvon, integral equation di ⁇ rectly. Examples are the filtered remindtakingi ⁇ one (FBP) and the back-projection of filtered projections (CBP).
  • the tomographic reconstruction can be carried out in such a way that the illumination background, which may be determined by a reference measurement, is not subtracted from the scattered radiation images (projections) but is taken into account implicitly in a forward and backward reprocessing process of the tomographic reconstruction.
  • the current illumination background may e.g. external illumination, if the medium in the measuring volume can not be completely shielded against external light,
  • the secondary scattering which is outshined by the radiation field itself in the projection region of the radiation field, is estimated by interpolation in this projection region.
  • the lateral directions in which the scattered radiation images are taken are perpendicular to the longitudinal direction, in this case representing the radial directions, or at an angle of less than or greater than 90 ° relative to the longitudinal direction.
  • the at least one detector array for image recording of stray radiation is arranged such that the side angles are distributed such that the components of the recorded scatter radiation perpendicular to the longitudinal direction span a measuring range of 180 ° to 360 °. If the scattering medium on the way to the scattered radiation
  • the detection of scattered radiation is preferably made of such selected lateral directions that their respective components are distributed perpendicular to the longitudinal direction of the radiation field over 360 °. If the attenuation of the scattered radiation by the scattering medium on the way to the radiation field measuring device is negligible, the detection of the scattered radiation is preferably carried out from side directions chosen such that their respective components are distributed perpendicular to the longitudinal direction of the radiation field over 180 °.
  • the scattered radiation is measured in lateral directions, the components of which are arranged distributed uniformly perpendicular to the longitudinal direction over the measuring region, except in the case that it is an even number of lateral directions whose components are to be distributed perpendicular to the longitudinal direction over 360 ° , In this case, they are preferably distributed unevenly over the measuring range.
  • the recording of redundant image information of the scattered radiation is thereby avoided, and the number of lateral directions which are required in a specific application of the invention for characterizing the radiation field can be minimized.
  • the characterization of the radiation field can be carried out using scattered radiation images which are displayed in only two different lateral directions (side angles not equal to 180 °, preferably around 90 °) were recorded.
  • scattered radiation images along at least three side directions, in particular at least four (EI ⁇ nem measuring range of 180 °) or at least five was added (at a measuring range of 360 °) side directions and subjected to the tomographic reconstruction.
  • the detector device is arranged perpendicular to the longitudinal direction for image recording of the scattered radiation.
  • advantages may arise due to the available space and the adjustment of the detector device relative to the longitudinal direction.
  • the image recording can take place at an angle smaller or greater than 90 ° relative to the longitudinal direction, with advantages resulting from an increase in the scattering intensity when the angle of the lateral direction of the image recording decreases or increases relative to the longitudinal direction.
  • the detector device is configured for spectrally selective image acquisition of the scattered radiation, ie if scattered radiation images are recorded with the detector device only in a limited spectral range, there can be advantages for an improved suppression of interfering extraneous radiation and an improved signal-to-noise ratio. Ratio of reconstruction revealed.
  • the detector device can be equipped with at least one suitable filter, for example, which reads through the desired spectral range.
  • Another advantage of the spectrally selective image recording of the scattered radiation is the simplification of the reconstruction of polychromatic radiation fields.
  • a planar layer-shaped cutout (layer cutout) of the radiation field is detected. Since the layer has a finite thickness, the reconstructed field density is detected as a volumetric size.
  • the slice section may be oriented perpendicularly or inclined relative to the longitudinal direction. The thickness of the slice section is preferably selected so that the field density within the slice is approximately constant.
  • the re ⁇ constructing means adapted for tomographic reconstruction of a transverse or inclined layer of the field density of the scattered radiation in the layer-neck finite thickness of the radiation field.
  • a conventional, invasive beam profiler generally measures a two-dimensional intensity distribution of the radiation field perpendicular to its longitudinal direction.
  • the volumetric field density of the scattered radiation reconstructed according to the invention can, with a corresponding orientation of the layer, also be converted into a two-dimensional intensity distribution by the integration of the field density of each voxel in the longitudinal direction of the radiation field and the subsequent multiplication with a conversion factor.
  • the detector device may preferably comprise line detector arrays with which linear scattered radiation images are recorded. the. This advantageously results in a simplified construction of the detector device.
  • a three-dimensional, typically cylindrical or frustoconical, volume cut-out of the radiation field is detected, which consists of several layers of finite thickness or voxels arranged in a suitable manner of a suitable volume.
  • the reconstruction device for the tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation in the entire three-dimensional volume section, which is constituted in each dimension by the juxtaposition of voxels is set up.
  • the detector device preferably comprises area detector arrays.
  • the volume cutout is composed, in particular, of at least two layered cut-outs which are arranged next to one another, preferably in the longitudinal direction.
  • the volumetric cut-out can be distinguished by a field density which varies in the longitudinal direction.
  • the detector device may comprise a plurality of detector cameras, which are each equipped with at least one detector array.
  • an associated detector camera is provided for each side direction in which a scattered radiation image is to be recorded.
  • Each detector camera provides a scattered image for one of the lateral directions, so that there are advantages if the scattered radiation images are to be recorded directly and without additional optical elements.
  • the detector device may comprise a single detector camera which has a plurality of detectors. contains detector arrays, each for image acquisition of
  • the detector arrays can, for. B. separate arrays, z. B. CCD chips, or preferably portions of a common array, for. B. CCD chips include.
  • This embodiment of the invention has the advantage of simplified construction and operation of the detector device.
  • a deflection device which is arranged to deflect the scattered radiation along the plurality of lateral directions onto the plurality of detector cameras or the single detector camera, advantages for the positioning of the at least one detector camera, in particular with a distance and / or together on one side of the radiation field.
  • the deflection device comprises optical elements, particularly preferably at least one catoptric element (in particular mirrors) and / or at least one dioptric element (in particular prisms and / or lenses) with which the beam path of the scattered radiation is spanned from one of the lateral directions to the associated detector camera becomes.
  • the optical elements can be designed for imaging the scattered radiation on the at least one detector camera.
  • the deflection device can comprise a plurality of catoptical elements, in particular a plurality of reflector sections, which are each arranged to deflect the scattered radiation along one of the lateral directions toward one of the detector arrays.
  • the reflector sections are preferably individual, planar or imaging mirrors or connected to an axicon reflector, which is arranged axially symmetrical to the longitudinal direction.
  • the individual mirrors have advantages with regard to the optimizable adjustment of the individual NEN beam paths, while with the axicon reflector advantageously the measurement structure is simplified.
  • a collecting reflector is preferably provided as another catoptric element which collects beam paths from the lateral directions via the reflector sections and directs them to the detector camera.
  • the collective reflector has the advantage that the adjustment of the detector camera is simplified relative to the reflector sections.
  • the radiation field measuring device with a
  • Beam turning device to be equipped, which has a rotatable prism, in particular Dove prism, and / or a rotatable mirror and which is adapted to rotate the radiation field around the longitudinal direction.
  • the detector device contains a single detector camera, which is arranged to record stray radiation.
  • the radiation field is rotated with the beam rotator in different rotational positions relative to the detector camera.
  • this embodiment is designed for non-destructive measurement, i. it allows the simultaneity of measurement at the radiation field and primary application of the radiation field.
  • this embodiment is only applicable to radiation field intensities that allow the use of the rotatable prism and / or mirror.
  • the characterization of the radiation field comprises the determination of beam parameters directly from the tomographic phically reconstructed field density of scattered radiation.
  • an analyzer means is provided, which part of the reconstruction device or separately from this ⁇ attached is arranged and at least one beam parameter of the radiative field from the field density of the scattered radiation detected.
  • at least one of the following beam parameters can be calculated with the analyzer device: Field beam parameters, such as eg. B.
  • the pulse energy or pulse ⁇ energy density of the radiation field in the case of pulsed radiation the field density of the radiation field in the case of kontinu ⁇ ieraji radiation, coherence properties of the radiation field, wavefronts of the radiation field, Rayleigh lengths of the radiation field, or diffraction coefficients, M 2 parameters and Beam propagation factors k of the radiation field, and / or geometrical beam parameters, such as geometric properties of the radiation field, in particular beam diameter, divergence angle and / or beam shape, properties of the beam waist of the radiation field, in particular radius, position along the longitudinal direction, and / or shape of the focus in transaxial cutting guide, and / or spatial position of the radiation field in the medium.
  • the beam parameters can be determined individually, in subgroups or completely from a single measurement on the radiation field. If the analyzer device according to a further embodiment of the invention for a continuous determination of the at least one beam parameter and its temporal stability is established, there are advantages for the continuous monitoring of the radiation field and possibly the control of a beam source for generating the radiation field.
  • the analyzer device can be used to calculate beam properties. be derived from the determined steel parameters.
  • a preferred example is the calculation of the beam propagation, in particular by means of a wavefront analysis.
  • the calculation of the beam propagation allows, in an investigation of the radiation field in a measuring section, which is spaced from a location of the action of the radiation field on a material, to determine beam parameters at the location of the action.
  • the focus of the radiation field can be characterized and the position of the focus can be detected, even if a recording of the scattered radiation images used for the tomographic reconstruction takes place outside the focus.
  • the radiation field measuring device can be equipped with a particle removal device which is set up to provide the medium in the measuring section of the radiation field measuring device in a particle-free state.
  • the particle removal device has the advantage of removing dust particles from the measuring section, which could otherwise cause artifacts and disturbances of the reconstruction.
  • various technical measures are available with which dust particles can be removed, such.
  • electrostatic filters mechanical filters for generating a constant particle-free media flow through the measuring section, and / or Spülgasguellen to provide purified media or a purge gas for the measuring section.
  • the reconstruction of the field density of the scattered radiation can be used to determine a volumetric particle distribution in the radiation field.
  • the radiation source is a laser source, the z. B. for laser-assisted material processing in cutting and joining techniques or a manufacturing method in semiconductor technology or a laser-assisted surgical method is set up.
  • the setting and optional control of the radiation source can be z. B. the operation of a focusing of the
  • Radiation source in dependence on the determined position of the focus of the radiation field along the longitudinal direction comprise such that the focus on a predetermined working position, for. B. is set on the surface of a material to be machined.
  • the radiation source may include an adjusting device with the beam parameters of
  • Radiation field are variable, in which case the adjusting device in response to a determined
  • Beam parameter particularly preferably in dependence on an intensity profile of the radiation field along the longitudinal direction, in particular in the focus of the radiation field, is controlled.
  • FIG. 2 shows an arrangement of reflector sections of the radiation field measuring device according to FIG. 1;
  • Figure 3 an arrangement of detector cameras for receiving
  • FIGS. 4 to 14 show features of further embodiments of the radiation field measuring device according to the invention with different variants of a deflection device
  • FIG. 15 shows features of a radiation field measuring device with a beam turning device
  • FIG. 16 shows a flowchart with an illustration of features of preferred embodiments of the method according to the invention.
  • the detector camera include e.g. CCD cameras with converter layers or cameras with image converter tubes.
  • the radiation field measuring device and methods for its operation will be described in particular with reference to the collection of scattered light images and the structure of the detector device. Details of the reconstruction method can be realized as known from conventional methods of emission tomography, in particular according to US 8,559,690.
  • the collection of scattered light images can be done in preferred embodiments of the invention using a baffle with catoptric and / or dioptric elements.
  • catoptric elements can accordingly also be realized by dioptre elements (and vice versa).
  • the effects of reflector portions can be realized by optical lenses.
  • Katoptwitz elements such.
  • mirror have advantages because they have no color aberration and can be easily adapted to an elliptical arrangement with beam deflection.
  • Multi-mirror arrangements with multiple reflector sections have also been similar to lens or prism arrays or the use of a single detector camera, the advantage of high solid angle coverage.
  • the detector means 10 comprises a single detector camera 11.
  • Radiation field measuring device 100 is provided for characterizing the light field 1 of a laser beam, which for the purpose of material processing with a laser source 210, z.
  • a laser source 210, z As a C0 2 laser, a Nd-YAG laser or a disc laser, and is focused on the surface of a workpiece 220.
  • the light path of the light field 1 extends with a beam direction, which is referred to here as a longitudinal direction z, by a measuring section 4, the medium 2, z.
  • the light field 1 has a cross-sectional dimension of eg 10 .mu.m to 10 cm, typically from 1 mm to 10 mm.
  • FIG. 1 shows the examination of the light field 1, which is generated directly by the laser source 210.
  • the light field 1 can be branched off with a beam splitter from a main beam which is directed onto the material to be processed.
  • the light field 1 is scattered on the molecules of the medium 2, so that scattered light 3 is generated.
  • the scattered light 3 is in and against the longitudinal direction z and laterally emitted to it with components in the xy plane.
  • Part of the scattered light 3 is collected at predetermined lateral directions with the deflector 30 (see FIG. 2A) and directed toward the detector camera 11 of the detector device 10. With the detector camera 11 scattered light images 6 of the im
  • the deflection device 30 comprises reflector sections 31 and a collection reflector 32 in the form of plane mirrors, which are inclined in the illustrated example relative to the longitudinal direction z by 45 °. There are z. B. four reflector portions 31 are provided, which reflect light 3 from the light field 1 in four lateral directions 5 to the collecting reflector 32.
  • the side directions 5 are preferably distributed non-uniformly with respect to the x-y plane with different side angles, as shown schematically in FIG. 2A. From each reflector section 31, an image of the scattered light 3 generated in the light field 1 is reflected via the collecting reflector 32 to the detector camera 11.
  • the reflector sections 31 have advantages for the prevention of background noise from secondary scattering, since the latter is guided out of the arrangement of the reflector sections 31.
  • the detector device 10 comprises a single detector camera 11 with a detector array 12, for example a CCD chip of the type Sony ICX285, and a camera objective 13.
  • the scattered light images 6 can be recorded with a uniform detector array 12.
  • Pixel groups of the detector array 12 provide a plurality of line detector arrays or multiple area detector arrays for imaging the scattered light 3. Alternatively, individual, separate detector arrays may be provided for imaging the scattered light 3.
  • the detector device 10 with a color-sensitive Detek- torarray 12 and / or a spectrally selective Filtereinrich ⁇ device (not shown) to be equipped.
  • the detector camera 11 forms the two-dimensional intensity distribution of the scattered light 3 in the region of the light field 1 with the camera objective 13 via the plane mirrors of the reflector sections 31 and the collecting reflector 32.
  • the boundary lines of the scattered light 3 give an impression of the Pharoidstrahlengang the camera field of view.
  • the detector array 12 on the different mirrors several views of
  • the reconstruction device 20 comprises a computer unit which is designed to carry out a computer tomographic reconstruction process on the basis of the image signals of the detector camera 11.
  • the reconstruction device 20 calculates the field density of the scattered light 3 in the light field 1 from the scattered light images 6 and the known geometry of the deflection device 30, in particular the distribution of the side angles 5 of the reflector sections 31.
  • the tomographic reconstruction yields a three-dimensional model (3D dataset z) of the intensity distribution of the
  • FIG. 1 furthermore illustrates that the reconstruction device 20 can be equipped with an analyzer device 21 and a display device. With the analyzer device 21, by using the three-dimensional field density of the scattered light 3 in the light field 1 further
  • Beam parameters such. B. the intensity or the position of the focus can be calculated.
  • the determined beam parameters as error quantities can be used to control the laser source 210 to set predetermined beam parameters, the z. B. by a control device 50 shown schematically.
  • FIG. 1 Features of a further embodiment of the radiation field measuring device with a detector device 10 which has a plurality of detector cameras 11 (multiple camera arrangement) are shown schematically in FIG.
  • the detector cameras 11 are arranged uniformly distributed around the light field 1 in radial directions. Alternatively, an uneven distribution of the detector cameras 11 may be provided.
  • Each of the detector cameras 11 is arranged to receive a scattered light image of the light field 1.
  • the deflection device 30 shown in FIG. 1 can be dispensed with.
  • a plurality of individual camera images arise from different lateral directions.
  • the image signals of the detector cameras 11 are subjected in a reconstruction device (not shown in Figure 3) of the tomographic reconstruction.
  • FIG. 4 shows a variant of the embodiment of the radiation field measuring device 100 according to the invention with a single detector camera 11 (FIG. 1), the arrangement of reflector sections 31 of the deflection device 30 being replaced by an axicon reflector 33 (individual hollow cone-shaped reflector).
  • the axicon reflector 33 is designed so that numerous images of the scattered light 3 from the light field 1 from different lateral directions are imaged on the detector array 12.
  • the use of the axicon reflector 33 provides further advantages in connection with compressive sensing (CS), since the axicon measurements take into account the "incoherence" required in the CS sense insofar as they project the scattered radiation of the radiation field along its longitudinal extension in the beam direction Notwithstanding Figure 4, the axicon reflector 33 can be replaced by two axicon subreflectors by halving the axicon reflector 33 in the longitudinal direction of the light field 1 and assembling the halves, wherein a partial reflector rotated by 180 °
  • This variant of the invention can provide advantages by balancing the uneven spatial resolution possible on the axicon reflector 33.
  • FIG. 5 A further variant of the radiation field measuring device 100 with a single detector camera 11 is shown in FIG. 5, wherein the axicon reflector is replaced by an arrangement of strip-shaped plane mirrors 34 which are fan-shaped on a hollow cone surface. In this case, numerous images of the scattered light 3 are formed on the detector array 12 of the light field 1 generated from different lateral directions.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate the application of the embodiment according to FIG. 5 in the characterization of a non-collimated light field 1.
  • the diameter of the light field 1 passes through a minimum at a focus 7.
  • the deflecting device 3 deflects the scattered light 3 from the measuring section 4, which contains the focus 7, to the detector camera 11.
  • the tomographic reconstruction of the field density of the scattered light 3 in the light field 1 directly provides a characterization of the focus 7.
  • the scattered light 3 can be detected in a measuring section 4 with a distance from the focus 7, as shown in FIG.
  • the three-dimensional reconstruction of the field density of the scattered light 3 enables a wavefront analysis and a detection of the propagation properties of the light field 1, in particular of its geometric shape, and thus indirectly also provides a characterization of the focus 7 and its position.
  • the embodiment of FIG. 7 may be modified to the effect that the focus 7 is located outside the deflection device 30.
  • it can contactless and non-invasive focus 7 z. B. on the surface of a material to be processed.
  • FIGS. 8A and 8B are shown in FIGS. 8A and 8B, wherein the longitudinal direction z of the light field 1 extends perpendicular to the plane of the drawing.
  • a deflection device 30 with a plurality of reflector sections 31 (plane mirror) is provided, which deflects scattered light 3 from the light field 1 to the detector camera 11 of the detector device 10.
  • the reflector portions 31 are arranged with surfaces parallel to the longitudinal direction z so that a center line of a tangent line of each reflector portion 31 of an ellipse in the xy plane, with the detector camera 11 ( Figure 8A) or an imaging ⁇ objective in a focus of the ellipse 14 of a flexible or rigid Jardinleitmaschinebündels 15 ( Figure 8B) and in the other focus the light field 1 are located. Together with the direct camera perspective on the light field 1, there are five different lateral directions and correspondingly five different scattered light images. According to FIG. 8A, the stray-light images are simultaneously recorded directly via the camera objective 13 with the detector camera 11. According to FIG.
  • the scattered-light images are recorded via the imaging objective 14, the image-guide fiber bundle (fiber-optic bundle with ordered fibers) 15 and a relay optics 16 with the detector camera 11 without an objective.
  • the image signals of the detector camera 11 including the scattered light images are supplied to the reconstruction device (not shown).
  • the embodiment according to FIG. 8B has the advantage that the detector camera 11 can be arranged at a distance from the measuring section 4, so that disturbing conditions in the measuring section 4, such as, for example, are produced. B. electromagnetic interference fields or extreme temperatures, not affect the detector camera 11.
  • the planar reflector sections 31 of FIGS. 8A and 8B can be replaced by curved reflector sections 31, as illustrated by way of example in FIGS. 9 and 10.
  • the aspherically curved reflector sections 31, which preferably comprise extra-axial ellipsoids or paraboloids, have an imaging and light-gathering effect.
  • the curved ones Reflector sections 31 are arranged with their center lines on the ellipse described above with reference to FIG. Stray light 3 from the light field 1 is imaged on a single detector camera 11 with an entocentric objective 13 (FIG. 9) or on two detector cameras 11 with entocentric objectives 13 (FIG. 10).
  • the curved reflector portions 31 have an effect such as a field lens (or a field mirror) provided in object-side telecentric lenses between the object and the camera.
  • telecentric means that there are no distance-related magnification changes.
  • the internal aperture for the purpose of enforcing telecentricity which is typical for telecentric objectives is not shown in FIG.
  • the advantages of the arrangement of the curved reflector sections 31 as field mirrors consist first of all in the high numerical aperture of the imaging optics formed by the reflector sections 31 and the increased light intensity and secondly in the telecentric effect on the side of the light field 1 to be measured.
  • this allows a smaller distance-dependent distortion in comparison with simpler arrangements with plane mirrors or with multi-camera arrangements according to FIG. 3.
  • the object-side telecentric imaging of the scattered light 3 can, by design, result in a reduction of the light intensity.
  • the arrangement of the reflector sections 31 according to FIG. 9 can be modified such that a compromise is achieved on the one hand with sufficiently high light collecting capacity and sufficient depth of field and on the other hand with sufficient telecentricity.
  • the reflector sections 31 could be replaced by an axicon reflector with elliptical curvature.
  • the deflection device 30 comprises dioptric elements, in particular lenses 35, 36 and / or prisms 37, are illustrated in FIGS. 11 and 12.
  • Figure 11 shows the deflection device 30 with two lenses 35, 36, the z. B.
  • the lenses 35, 36 provide a continuous image containing scattered light 3 from all detected side angles side by side, and the individual scattered tomographic reconstruction tomograms are computationally extracted from the continuous image.
  • a larger angular range of the scattered light 3 is detected by the light field 1 by the F-theta arrangement in FIG. 11 than by the multiprism 37, which only images scattered light 3 in a maximum of a half-space of 180 ° or less (FIG. 12).
  • an object-side telecentric image can also be realized with the F-theta arrangement.
  • the deflection device 30 is provided with a multi-prism 37 z. B. of quartz glass, which is shaped to image five side angles (perspectives).
  • the arrangement according to FIG. 12 can be advantageous if the radiation field measuring device, e.g. for reasons of space, should be arranged only on one side next to the light field 1 to be examined.
  • Figures 13 and 14 illustrate further embodiments of the invention, in which the deflector 30 dioptric elements in the form of a simple prism 38 or a Multiprismas 39, the z. B. made of quartz glass, comprises. Stray light 3 from the light field 1 is directed via the prism 38 or the Multiprisma 39 to the detector camera 11, whose Image signal to the reconstruction device (not shown) is supplied.
  • the damage threshold of an optical element depends on the material of the optical element and is for quartz glass for continuous laser light, for example 1 MW / cm 2 or for pulsed laser light (10 ns pulse duration, laser intensity at 1064 nm:
  • the beam rotator 40 shown in FIG. 15 can be provided with a rotatable dove prism 41 (or with rotatable mirrors, not shown) to communicate with the detector - Torcord 11 scattered light 3 corresponding to different lateral directions to capture.
  • the rotatably mounted dove prism 41 the light field 1 generated by the laser source 210 can be rotated about the longitudinal direction z, wherein an image is taken for each set rotational angle.
  • a background screen 17 is provided, the z. B. includes a blackened metal or plastic plate and a dark background for the camera image behind the
  • Light field 1 forms, which largely prevents reflections of the incoming light scattered light.
  • the dove prism 41 does not change the beam direction, but rotates itself about the beam axis z by an angle.
  • the laterally emerging light field 1 rotates at twice the angle.
  • the dove prism 41 is rotated by 180 °.
  • FIG. 16 schematically illustrates the steps of the method for characterizing a light field 1 that passes through a medium 2.
  • the medium 2 the generation of scattered light by Rayleigh scattering of the light field 1 takes place at atoms or Mo ⁇ molecules of the medium 2.
  • the intensity of the Rayleigh scattering IR results according to
  • IR Io (k / ⁇ 4 ) (1 + cos 2 ⁇ ) from the intensity of the light field Io, a constant k, the wavelength ⁇ and the angle ⁇ relative to the longitudinal direction of the light field.
  • the wavelength dependence of the scattered light can also be exploited in order to characterize the light field 1.
  • Stray light images of the generated scattered light are recorded at different side angles relative to the longitudinal direction of the light field.
  • the scattered light images provide projections of the scattered light generated by the light field 1, which undergo the tomographic reconstruction.
  • the 2D or 3D field density of the scattered light in the light field 1 is calculated, followed by an analysis for determining characteristics of the light field, such as the light field.
  • B. the beam profile or the shape of the wavefront.

Abstract

A radiation field measuring device (100) for the characterization of a radiation field (1) that passes through a medium (2) in a longitudinal direction (z) comprises a detector device (10) having at least one detector camera (11), which contains at least one detector array (12) for the image recording of stray radiation (3) that is generated in the medium by the radiation field (1) and is directed in a multiplicity of lateral directions that deviate from the longitudinal direction (z), and a reconstruction device (20) for the characterization of the radiation field (1), on the basis of image signals of the detector device (10), wherein the reconstruction device (20) is configured for the tomographic reconstruction of a field density of the stray radiation (3) in the radiation field (1). Uses of the radiation field measuring device and methods for the characterization of a radiation field (1) that passes through a medium (2) in a longitudinal direction (z) using the radiation field measuring device (100) are also described.

Description

Messeinrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes , insbesondere von Laserstrahlung  Measuring device and method for characterizing a radiation field, in particular laser radiation
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine Strahlungsfeld-Messeinrichtung und Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, basierend auf der Erfassung von Streustrahlung, welche das Strahlungsfeld in einem Medium erzeugt. Anwendungen der Erfindung sind bei der Überwachung und/oder Steuerung von Strahlungsquellen, insbesondere Laserquellen für die Ma- terialbearbeitung, und von strahlungsbasierten Verfahren, z. B. für die Materialbearbeitung oder Messzwecke, gegeben. The invention relates to a radiation field measuring device and method for characterizing a radiation field of electromagnetic radiation, in particular laser radiation, based on the detection of scattered radiation, which generates the radiation field in a medium. Applications of the invention are in the monitoring and / or control of radiation sources, in particular laser sources for the material processing, and of radiation-based methods, for. B. for material processing or measurement purposes given.
Stand der Technik Es ist allgemein bekannt, dass die Wirksamkeit und Genauigkeit strahlungsbasierter Verfahren, z. B. für die Materialbearbeitung oder Messzwecke, von den geometrischen Eigenschaften und/oder Feldeigenschaften des Strahlungsfeldes abhängen, das bei dem strahlungsbasierten Verfahren verwendet wird. Beispielsweise wird die Wirksamkeit der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung durch die Bildung eines Fokus der Laserstrahlung auf der Oberfläche des Materials beeinflusst. Es besteht daher allgemein ein Interesse an einer Untersuchung (Messung) von Strahlungsfeldern, um deren Eigenschaften zu erfassen und ggf. eine Strahlungsquelle so zu steuern, dass das Strahlungsfeld mit vorbestimmten Eigenschaften erzeugt wird . Herkömmliche Verfahren zur Untersuchung von Strahlungsfeldern umfassen invasive Verfahren und nicht-invasive Verfahren. Invasive Verfahren, wie z. B. die direkte Erfassung des Strah¬ lungsfeldes mit einer Kamera, haben den Nachteil, dass ihre Anwendung das zu untersuchende Strahlungsfeld verändert. Im Ergebnis kann eine gewünschte Wirkung des Strahlungsfeldes beeinträchtigt oder zeitweilig sogar ausgeschlossen sein. Background Art It is well known that the effectiveness and accuracy of radiation based methods, e.g. For material processing or measurement purposes, depending on the geometric characteristics and / or field characteristics of the radiation field used in the radiation-based method. For example, the effectiveness of material processing with laser radiation is influenced by the formation of a focus of the laser radiation on the surface of the material. There is therefore a general interest in investigating (measuring) radiation fields in order to detect their properties and, if necessary, to control a radiation source in such a way that the radiation field is generated with predetermined properties. Conventional methods for studying radiation fields include invasive methods and non-invasive methods. Invasive procedures, such as As the direct detection of the radiation field ¬ with a camera, have the disadvantage that their application changes the radiation field to be examined. As a result, a desired effect of the radiation field may be impaired or even excluded at times.
Beispielsweise sollte bei der Online-Überwachung von Laser- Schneid- oder -Schweißanlagen eine Beeinflussung oder Zerstö- rung der Lichtverteilung eines Arbeitsstrahls vermieden werden. Selbst wenn nur ein Teil des zu untersuchenden Strahlungsfeldes aus einem Hauptstrahl abgetrennt und gesondert untersucht wird (siehe z. B. DE 101 49 823 AI), kann die zur Abtrennung verwendete Optik, z. B. durch Verschmutzung, die Anwendung des Hauptstrahls beeinträchtigen. For example, the online monitoring of laser cutting or welding systems should avoid influencing or destroying the light distribution of a working beam. Even if only a part of the radiation field to be examined is separated from a main beam and examined separately (see eg DE 101 49 823 A1), the optics used for the separation, eg. As by pollution, affect the application of the main beam.
Des Weiteren sind invasive Verfahren auf die Untersuchung von Strahlungsfeldern mit geringer Leistungsdichte beschränkt. Optiken, wie z. B. Spiegel, Prismen, Filtern und/oder Linsen, im Strahlengang des zu untersuchenden Strahlungsfeldes können bei hohen Leistungsdichten zerstört werden. Aus diesem Grund ist es in der Regel nicht möglich, z. B. das Strahlungsfeld im Fokus von Laserstrahlung mit einem invasiven Verfahren direkt zu untersuchen. Schließlich neigen invasive Verfahren zur Messung eines Strahlungsfeldes insbesondere bei monochromatischer Strahlung (z. B. bei einem cw-Laser) zu Artefakten durch Beugung an Fehlern oder Verunreinigungen an den Optiken, z. B. Linsenflächen, was zu Interferenzen führen kann, kaum vermeidbar ist und die Genauigkeit der Messung beein- trächtigt. Furthermore, invasive procedures are limited to the study of low power density radiation fields. Optics, such. As mirrors, prisms, filters and / or lenses, in the beam path of the radiation field to be examined can be destroyed at high power densities. For this reason, it is usually not possible, for. B. to directly examine the radiation field in the focus of laser radiation with an invasive procedure. Finally, invasive methods for measuring a radiation field, in particular in the case of monochromatic radiation (eg in the case of a cw laser), are prone to artifacts due to diffraction of defects or impurities on the optics, eg. B. lens surfaces, which can lead to interference, is hardly avoidable and the accuracy of the measurement impaired.
Nicht-invasive Verfahren haben den Vorteil, dass sie insbesondere bei hohen Strahlungsintensitäten anwendbar sind und dass das zu untersuchende Strahlungsfeld durch die Messung nicht beeinflusst wird. Beispielsweise wird in US 8 988 673 B2 ein nicht-invasives Verfahren beschrieben, bei dem das Streulicht eines Laserstrahls beim Durchgang durch ein Gas mit einer Kamera aufgenommen wird, um die Form des Pharoid- Strahls (des gesamten Strahlenbündels) zu vermessen. Mit die¬ ser Methode werden 2D-Streustrahlungs-Bilder gemessen, welche Projektionen der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf Ebenen parallel zur Strahlrichtung darstellen. Das Verfahren gemäß US 8 988 673 B2 hat den Nachteil, dass sich weder transaxiale 2D-Schnitte, noch SD-Volumen- Rekonstruktionen des Laserstrahls ermitteln lassen. Mit dem Verfahren gemäß US 8 988 673 B2 könnte eine Abfolge von 2-D- Projektionen des Strahlungsfeldes, etwa durch das wiederholte Verfahren einer Kamera entlang eines vorgegebenen linearen Profils, erzielt werden. Die Vermessung eines einzelnen Non-invasive methods have the advantage that they are applicable in particular at high radiation intensities and that the radiation field to be examined by the measurement is not affected. For example, US 8 988 673 B2 describes a non-invasive method in which the scattered light of a laser beam, when passing through a gas, is picked up by a camera in order to measure the shape of the pharoid beam (of the entire beam). With the method ¬ ser 2D images scattered radiation to be measured, which represent projections of the intensity distribution of the laser beam on planes parallel to the beam direction. The method according to US Pat. No. 8,988,673 B2 has the disadvantage that neither transaxial 2D sections nor SD volume reconstructions of the laser beam can be determined. With the method according to US Pat. No. 8,988,673 B2, a sequence of 2-D projections of the radiation field could be achieved, for example by the repeated movement of a camera along a predetermined linear profile. The measurement of a single
Lichtpulses wäre damit jedoch nicht möglich. However, light pulses would not be possible.
Ein generelles Problem herkömmlicher Techniken zur Untersu- chung von Strahlungsfeldern besteht darin, dass sie auf die Erfassung einzelner Eigenschaften beschränkt und nicht für eine vollständige Charakterisierung des Strahlungsfeldes durch nur eine Messung geeignet sind. Insbesondere sind nicht-invasive Verfahren zur simultanen Ermittlung von mehre- ren Parameter des Strahlungsfeldes, wie z. B. Intensitätsverteilung, Kaustik, M2 -Parameter , Strahlpropagation, Wellenfront, Wellenlänge und Polarisationseigenschaften, und/oder Strahlform unbekannt. Die gleichzeitige Erfassung von mehreren Eigenschaften des Strahlungsfeldes wird bisher nur durch die Kombination oder zeitlich aufeinanderfolgende Anwendung unterschiedlicher Messverfahren erreicht, was die Komplexität der Untersuchung erhöht. Des Weiteren können sich mehrere Messungen durch ihre jeweilige Beeinflussung des Strahlungsfeldes gegenseitig ne¬ gativ beeinflussen und dadurch eine exakte Darstellung des Strahlungsfeldes beeinträchtigen oder sogar ausschließen. Schließlich wäre die Anwendung von zeitlich aufeinanderfol- genden Messungen auf unveränderliche Strahlungsfelder beschränkt und für die Untersuchung z. B. von einzelnen Laser¬ pulsen oder von transienten Lichtverteilungen ungeeignet. A general problem of conventional techniques for investigating radiation fields is that they are limited to the detection of individual properties and are not suitable for a complete characterization of the radiation field by only one measurement. In particular, non-invasive methods for the simultaneous determination of several parameters of the radiation field, such. As intensity distribution, caustics, M 2 parameters, beam propagation, wavefront, wavelength and polarization properties, and / or beam shape unknown. The simultaneous detection of several properties of the radiation field has hitherto only been achieved by the combination or temporally successive application of different measuring methods, which increases the complexity of the examination. Furthermore, several measurements can be made by their each ne ¬ gativ affect respective influence of the radiation field, thereby impairing an accurate representation of the radiation field or even mutually exclusive. Finally, the use of temporally successive measurements would be limited to invariable radiation fields and, for the investigation, for B. of individual laser ¬ pulses or of transient light distributions unsuitable.
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Strahlungsfeld-Messeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, bereitzustellen, mit denen Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden Die Erfindung soll insbesondere ermöglichen, nicht-invasiv mehr Eigenschaften eines Strahlungsfeldes zu erfassen, und/oder das Strahlungsfeld mit erhöhter Ortsauflösung, Genauigkeit und/oder Reproduzierbarkeit zu charakterisieren, und/oder neue Anwendungen der Charakterisierung eines Strahlungsfeldes zu schaffen. Ferner soll insbesondere eine möglichst vollständige Vermessung und Rekonstruktion des Strahlungsfeldes durch die Anwendung möglichst nur eines Messverfahrens erreicht werden. Dies soll insbesondere durch eine Einzel-Messung oder mehrere zeitaufgelöste Einzel-Messungen realisierbar sein. Die Strahlungsfeld-Messeinrichtung soll sich des Weiteren insbesondere durch einen vereinfachten technischen Aufbau und/oder einen erweiterten Anwendungsbereich auszeichnen. The object of the invention is to provide an improved radiation field measuring device and an improved method for characterizing a radiation field of electromagnetic radiation, in particular laser radiation, with which disadvantages of conventional techniques are avoided. The invention is intended in particular to enable non-invasively more properties of a radiation field capture, and / or characterize the radiation field with increased spatial resolution, accuracy and / or reproducibility, and / or to create new applications of characterization of a radiation field. Furthermore, in particular as complete as possible a measurement and reconstruction of the radiation field should be achieved by the application of only one measuring method as possible. This should be possible in particular by a single measurement or multiple time-resolved individual measurements. Furthermore, the radiation field measuring device should be distinguished, in particular, by a simplified technical structure and / or an extended field of application.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch eine Strahlungsfeld- Messeinrichtung (auch als Streustrahlungs-Tomograph bezeichnet) zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes, das ein Medium in einer Longitudinalrichtung (Strahlrichtung) durch¬ läuft, gelöst, die eine Detektoreinrichtung und eine (Tomo- graphie- ) Rekonstruktionseinrichtung umfasst. According to a first general aspect of the invention, said object is achieved by a radiation field Measuring device (also referred to as scatter radiation tomography) for the characterization of a radiation field which passes a medium in a longitudinal direction (beam direction) by ¬, dissolved, the (graphie- tomography) a detector device and a reconstruction device comprises.
Die Detektoreinrichtung weist mindestens eine Detektorkamera mit mindestens einem Detektorarray auf, das zur Bildaufnahme von Streustrahlung angeordnet ist, die im Medium durch das Strahlungsfeld erzeugt wird und in eine Vielzahl von Seitenrichtungen (Drehrichtungen) gerichtet ist, die von der Lon¬ gitudinalrichtung abweichen. The detector device comprises at least one detector camera with at least one detector array, which is arranged for image acquisition of scattered radiation which is generated in the medium by the radiation field and in a plurality of side directions (rotational directions) is addressed, which differ from the Lon ¬ gitudinalrichtung.
Gemäß der Erfindung ist die Rekonstruktionseinrichtung zur Charakterisierung des Strahlungsfeldes mittels einer compu- ter-tomographischen ortsaufgelösten Rekonstruktion (hier als tomographische Rekonstruktion bezeichnet) einer Felddichte (Energie- oder Leistungsdichte, räumliche Verteilung) der Streustrahlung im Strahlungsfeld unter Verwendung von According to the invention, the reconstruction device for characterizing the radiation field by means of a computer-tomographic spatially resolved reconstruction (referred to here as tomographic reconstruction) of a field density (energy or power density, spatial distribution) of the scattered radiation in the radiation field using
Bildsignalen der Detektoreinrichtung eingerichtet. Die Charakterisierung des Strahlungsfeldes umfasst allgemein die Ermittlung der Felddichte der Streustrahlung und vorzugsweise die Ermittlung von Strahlparametern, insbesondere geometrischen Strahlparametern und/oder Feld-Strahlparametern, des Strahlungsfeldes und/oder die Ermittlung einer Verteilung von streuenden Partikeln im Medium. Image signals of the detector device set up. The characterization of the radiation field generally comprises the determination of the field density of the scattered radiation and preferably the determination of beam parameters, in particular geometric beam parameters and / or field beam parameters, of the radiation field and / or the determination of a distribution of scattering particles in the medium.
Die Felddichte der Streustrahlung ist eine Funktion der Intensitätsverteilung im Strahlungsfeld und erlaubt somit ins- besondere die Bereitstellung der gesuchten Strahlparameter.The field density of the scattered radiation is a function of the intensity distribution in the radiation field and thus allows, in particular, the provision of the desired beam parameters.
Die Streustrahlung ist, falls Rayleigh-Streuung aus einem monochromatischen Strahlungsfeld erzeugt wird, proportional zur Intensitätsverteilung im Strahlungsfeld. Für den Fall eines polychromatischen Strahlungsfeldes ergibt sich unter der Voraussetzung, dass die detektierte spektrale Verteilung nicht räumlich im Messvolumen des Strahlungsfeldes variiert und insbesondere die Intensität I des Strahlungsfeldes gemäß I (λ, r) = Ιι(λ) * I2(r) faktorisierbar ist, ebenfalls eine Proportionalität. Letztere Voraussetzung kann z. B. erfüllt werden, indem die Detektoreinrichtung mit einem spektral selektiv wirksamen Filter ausgestattet ist, der einen Teil- Spektralbereich des Strahlungsfeldes durchlässt. Wenn die Intensität der Streuung des Strahlungsfeldes eine lineare Funktion der Intensität des Strahlungsfeldes ist, dann ergibt, bis auf einen Kalibrierungsfaktor, die tomographische Rekonstruktion auf Basis der Streustrahlung die 2D- oder 3D-Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes. Bei ande- ren Streu-Prozessen kann ebenfalls ein quantitativer Zusammenhang zwischen der Felddichte der Streustrahlung und der Intensitätsverteilung im Strahlungsfeld durch Kalibrierungsmessungen oder Anwendung von Streuungsmodellen ermittelt werden . The scattered radiation, if Rayleigh scattering is generated from a monochromatic radiation field, is proportional to the intensity distribution in the radiation field. In the case of a polychromatic radiation field results under the The prerequisite for the fact that the detected spectral distribution does not vary spatially in the measurement volume of the radiation field and, in particular, that the intensity I of the radiation field can be factored in accordance with I (λ, r) = Ιι (λ) * I 2 (r), is also a proportionality. The latter requirement can z. B. can be met by the detector device is equipped with a spectrally selective effective filter, which passes a partial spectral range of the radiation field. If the intensity of the radiation field scattering is a linear function of the intensity of the radiation field, then, except for a calibration factor, the tomographic reconstruction based on the scattered radiation will give the 2D or 3D intensity distribution of the radiation field. In other littering processes, a quantitative relationship between the field density of the scattered radiation and the intensity distribution in the radiation field can also be determined by calibration measurements or application of scattering models.
Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch die Verwendung der Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung bei der Steuerung eines Fokus des Strahlungsfeldes, Erfassung einer zeitlichen Drift eines Intensitätsprofils des Strahlungsfeldes, Charakterisierung des Strahlungsfeldes von Hochenergielasern, lasergestützten Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken, der Fertigung in der Halbleitertechnik, oder der Therapie und/oder Chirur- gie mittels Laserstrahlung, und/oder Überwachung und/oderAccording to a second general aspect of the invention, said object is achieved by the use of the radiation field measuring device according to the first general aspect of the invention in controlling a focus of the radiation field, detecting a temporal drift of an intensity profile of the radiation field, characterizing the radiation field of high-energy lasers, laser-assisted material processing in cutting and joining techniques, manufacturing in semiconductor technology, or therapy and / or surgery by means of laser radiation, and / or monitoring and / or
Steuerung strahlungsbasierter Prozesse, z. B. bei der Steuerung einer Strahlungsquelle, insbesondere einer Laserquelle, gelöst. Gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird insbesondere eine Steuervorrichtung für eine Strahlungsquel- le, umfassend insbesondere die Tomographie-Rekonstruktionsvorrichtung, als unabhängiger Gegenstand der Erfindung betrachtet . Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes, das ein Medium in einer Lon- gitudinalrichtung durchläuft, unter Verwendung einer Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß dem ersten allgemeinen Ge- Sichtspunkt der Erfindung gelöst, wobei eine Bildaufnahme von Streustrahlung, die im Medium durch das Strahlungsfeld erzeugt wird und in eine Vielzahl von Seitenrichtungen gerichtet ist, die von der Longitudinalrichtung abweichen, mittels der Detektoreinrichtung, und eine Charakterisierung des Control of radiation-based processes, eg. B. in the control of a radiation source, in particular a laser source solved. In particular, according to the second aspect of the invention, a control device for a radiation source is provided. In particular, the tomographic reconstruction apparatus considered as independent subject of the invention. According to a third general aspect of the invention, the object is achieved by a method for characterizing a radiation field, which passes through a medium in a longitudinal direction, using a radiation field measuring device according to the first general aspect of the invention, wherein an image acquisition of Scattering radiation generated in the medium by the radiation field and directed in a plurality of lateral directions deviating from the longitudinal direction by means of the detecting means, and characterization of the
Strahlungsfeldes mit der Rekonstruktionseinrichtung unterRadiation field with the reconstruction device under
Verwendung von Bildsignalen der Detektoreinrichtung vorgesehen sind, und wobei die Rekonstruktionseinrichtung eine tomographische ortsaufgelöste Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung im Strahlungsfeld ausführt. Use of image signals of the detector device are provided, and wherein the reconstruction device performs a tomographic spatially resolved reconstruction of the field density of the scattered radiation in the radiation field.
Die Erfindung ermöglicht allgemein die Charakterisierung eines gerichteten Strahlungsfeldes inkohärenter Strahlung oder kohärenter Strahlung (Laserstrahlung) . Die Charakterisierung von Laserstrahlung ist bevorzugt vorgesehen, da diese eine Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis begünstigt. Das Strahlungsfeld kann ein kontinuierliches Strahlungsfeld (kontinuierlicher Betrieb, cw-Betrieb) oder ein gepulstes Strahlungsfeld (Puls- Betrieb) sein, wobei als Felddichte im kontinuierlichen Be- trieb die Leistungsdichte und im Puls-Betrieb die Energiedichte der Streustrahlung rekonstruiert wird. The invention generally enables the characterization of a directional radiation field incoherent radiation or coherent radiation (laser radiation). The characterization of laser radiation is preferably provided, as it favors a reconstruction of the field density of the scattered radiation with a high signal-to-noise ratio. The radiation field can be a continuous radiation field (continuous operation, cw operation) or a pulsed radiation field (pulse operation), whereby the power density and in pulsed operation the energy density of the scattered radiation is reconstructed as field density in continuous operation.
Die Streustrahlung wird vom Strahlungsfeld im Medium erzeugt, das allgemein eine streuende Substanz, insbesondere mindes- tens ein Gas (oder Dampf), z. B. Luft oder anderes gasförmiges Prozessmedium oder Streugas, eine Flüssigkeit, einen Festkörper, ein Plasma oder eine Partikel enthaltende Zusam¬ mensetzung, wie z. B. eine kolloidale Lösung, ein Aerosol, Rauch, oder eine Emulsion, umfasst. In Abhängigkeit von der Art des streuenden Mediums wird die Streustrahlung z. B. The scattered radiation is generated by the radiation field in the medium, which is generally a scattering substance, in particular at least least one gas (or steam), z. As air or other gaseous process medium or stray gas, a liquid, a solid, a plasma, or a particle containing together ¬ mensetzung such. A colloidal solution, an aerosol, smoke, or an emulsion. Depending on the nature of the scattering medium, the scattered radiation z. B.
durch Rayleigh-Streuung, Tyndall-Streuung, Mie-Streuung oder Streuung an freien Ladungsträgern erzeugt. Diese Mechanismen der Streuung zeichnen sich jeweils durch eine spezifische Verteilung der Streustrahlung (z.B. Form der Streukeule oder Ausrichtung relativ zur Longitudinalrichtung des Strahlungsfeldes) aus, die bei der tomographischen Rekonstruktion der Felddichte berücksichtigt werden kann. Die räumliche Charakteristik der Streustrahlung kann durch eine Kalibrierungsmes- sung ermittelt werden. generated by Rayleigh scattering, Tyndall scattering, Mie scattering or scattering on free charge carriers. These scattering mechanisms are each characterized by a specific distribution of scattered radiation (e.g., shape of the lobe or orientation relative to the longitudinal direction of the radiation field) that can be taken into account in the tomographic reconstruction of the field density. The spatial characteristics of the scattered radiation can be determined by a calibration measurement.
Die Bildsignale der Detektoreinrichtung ( Streustrahlungs- Bilder) stellen Projektionen der Streustrahlung in den er- fassten Seitenrichtungen auf das mindestens eine Detek- torarray bereit. Die Rekonstruktionseinrichtung ist dafür konfiguriert, aus den Streustrahlungs-Bildern, die entsprechend einer Projektionsanzahl aus mehreren verschiedenen Richtungen (den erfassten Seitenrichtungen) aufgenommen werden, mittels der tomographischen Rekonstruktion mindestens ein Schnittbild der Streustrahlung im Strahlungsfeld zu ermitteln. Das Schnittbild der Streustrahlung repräsentiert die Felddichte der Streustrahlung im Strahlungsfeld, insbesondere die räumliche Verteilung der Streustrahlung im Strahlungsfeld, die ein qualitatives und quantitatives Maß für die Feldverteilung des Strahlungsfeldes ist. Die Rekonstruktionseinrichtung liefert ein dreidimensionales Modell der Feldverteilung des Strahlungsfeldes. Vorteilhafterweise werden die Beschränkungen herkömmlicher Techniken durch die Anwendung des Streustrahlungs-Tomographen vermieden, indem die ohnehin im Medium auftretende The image signals of the detector device (scattered radiation images) provide projections of the scattered radiation in the detected lateral directions on the at least one detector array. The reconstruction device is configured to determine at least one sectional image of the scattered radiation in the radiation field from the scattered radiation images, which are recorded in accordance with a number of projections from several different directions (the detected lateral directions) by tomographic reconstruction. The sectional image of the scattered radiation represents the field density of the scattered radiation in the radiation field, in particular the spatial distribution of the scattered radiation in the radiation field, which is a qualitative and quantitative measure of the field distribution of the radiation field. The reconstruction device provides a three-dimensional model of the field distribution of the radiation field. Advantageously, the limitations of conventional techniques are avoided by the use of the scattered tomography scanner by the already occurring in the medium anyway
Streustrahlung, z.B. basierend auf der Rayleigh-Streuung des Strahlungsfeldes oder Fluoreszenz an Atomen oder Molekülen des Mediums, genutzt wird, um das Strahlungsfeld umfassend und mit nur einer Messung zu charakterisieren. Insbesondere die Unvollkommenheiten des gebräuchlichen, Streulicht abbildenden 2D Verfahrens gemäß US 8 988 673 B2 werden durch die tomographische Strahlungsfeldrekonstruktion behoben, und es wird eine vollständige Strahlungsfeldrekonstruktion in einem interessierenden Messabschnitt ohne Störung der Strahlungsverteilung erreicht. Des Weiteren ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung. Der Streustrahlungs-Tomograph arbeitet berührungslos, d.h. nicht-invasiv, so dass die zu untersuchende Strahlungsverteilung durch die Messung nicht beeinflusst wird. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass keine Staubteilchen und Fehl- stellen an optischen Komponenten störend wirken können, da es keine solchen optischen Komponenten im Strahlengang des zu untersuchenden Strahlungsfeldes gibt. Es können besonders hohe Strahlungsintensitäten vermessen werden, ohne dass Komponenten des Streustrahlungs-Tomographen beschädigt werden. Al- ternativ kann der Streustrahlungs-Tomograph für einen invasiven Betrieb eingerichtet sein, beispielsweise wenn das untersuchte Strahlungsfeld im verwendeten optischen Aufbau zur Bildaufnahme der Streustrahlung gedreht werden soll oder wenn das untersuchte Strahlungsfeld von einem Hauptstrahl abge- zweigt werden soll. Scattered radiation, e.g. based on the Rayleigh scattering of the radiation field or fluorescence on atoms or molecules of the medium, is used to characterize the radiation field comprehensively and with only one measurement. In particular, the imperfections of the conventional scattered light imaging 2D method according to US 8 988 673 B2 are remedied by the tomographic radiation field reconstruction, and a complete radiation field reconstruction in a measuring section of interest is achieved without disturbing the radiation distribution. Furthermore, there are the following advantages of the invention. The scatter tomograph operates without contact, i. non-invasive, so that the radiation distribution to be examined is not influenced by the measurement. It is particularly advantageous that no dust particles and defects on optical components can have a disturbing effect, since there are no such optical components in the beam path of the radiation field to be examined. Particularly high radiation intensities can be measured without damaging components of the scattered tomography scanner. Alternatively, the scatter tomograph can be set up for an invasive operation, for example if the examined radiation field is to be rotated in the optical setup used for imaging the scattered radiation or if the examined radiation field is to be branched off from a main beam.
Die Erfindung ermöglicht eine umfassende Vermessung des The invention enables a comprehensive measurement of the
Strahlungsfeldes, insbesondere eine dreidimensionale Rekonstruktion des Intensitätsprofils eines Strahlungsfeldes in einem Messvolumen, und die Ableitung einer Vielzahl von Radiation field, in particular a three-dimensional reconstruction of the intensity profile of a radiation field in a measurement volume, and the derivative of a variety of
Strahlparametern aus diesem. Die Messung kann frei von Artefakten, insbesondere frei von Interferenzen, Schattenrissen und/oder Beugungen erfolgen. Der Streustrahlungs-Tomograph ermöglicht die Rekonstruktion des Intensitätsprofils des untersuchten Strahlungsfeldes auch für transiente Strahlungsfelder und insbesondere einmalige Strahlungspulse. Vorteilhafterweise können auch mehrere transiente Phänomene des Strahlungsfeldes in einem Messvolumen simultan erfasst wer- den. Der Streustrahlungs-Tomograph hat im Vergleich zur Kombination herkömmlicher Messanordnungen, die zur umfassenden Charakterisierung des Strahlungsfeldes erforderlich wären, einen erheblich vereinfachten Aufbau. Vorteilhafterweise liefert die Erfindung im Unterschied zu dem gemessenen Summenbild in US 8 988 673 B2 eine tomographische Rekonstruktion des Strahlungsfeldes oder dessen Strahlparameter. Die Charakterisierung des Strahlungsfeldes ist von der Beobachtungsrichtung unabhängig, da für die tomographi- sehe Rekonstruktion ohnehin eine mehrwinklige Erfassung derBeam parameters from this. The measurement can be carried out free of artifacts, in particular free from interferences, silhouettes and / or diffractions. The scatter tomograph allows the reconstruction of the intensity profile of the examined radiation field also for transient radiation fields and in particular once-only radiation pulses. Advantageously, several transient phenomena of the radiation field in a measuring volume can be recorded simultaneously. The scattered tomograph has a considerably simplified construction compared to the combination of conventional measuring arrangements, which would be required for comprehensive characterization of the radiation field. Advantageously, in contrast to the measured summation image in US Pat. No. 8,988,673 B2, the invention provides a tomographic reconstruction of the radiation field or its beam parameters. The characterization of the radiation field is independent of the direction of observation, since for the tomographic reconstruction anyway a multi-angled detection of the
Streustrahlungs-Bilder vorgesehen ist. Die vollständige dreidimensionale Rekonstruktion des Intensitätsprofils in einem Messabschnitt ermöglicht es, frei wählbare zweidimensionale Intensitätsprofile entlang jeglicher Schnittebenen durch das Medium im Messabschnitt abzuleiten. Stray radiation images is provided. The complete three-dimensional reconstruction of the intensity profile in a measuring section makes it possible to derive freely selectable two-dimensional intensity profiles along any cutting planes through the medium in the measuring section.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Charakterisierung des Strahlungsfeldes für Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen ermöglicht wird. Der Begriff "Strahlung" bezieht sich hier insbesondere auf elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Röntgen-, UV-, VIS-, NIR-, IR-, oder Mikrowellen-Bereich. Vorzugsweise ist die Detektoreinrichtung für eine Bildaufnahme der Streustrahlung jeweils entsprechend mit einer Wellenlänge im Röntgen-, UV-, VIS-, NIR-, IR-, oder Mikrowellen-Bereich eingerichtet. Besonders bevorzugt wird Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im UV-, VIS-, NIR-, oder IR-Bereich charakterisiert. Aber auch für andere Wellenlängenbereiche ergeben sich spezifische Vorteile. So wird, basierend auf der Emission der bei der Re¬ kombination entstehenden Strahlung, die Vermessung von Inten¬ sitätsverteilungen ionisierender Strahlung, etwa Röntgen- oder XUV/UV-Strahlung ermöglicht, die herkömmliche Strahlungsdetektoren schädigen oder zerstören würde. A further advantage of the invention is that the characterization of the radiation field for radiation in different wavelength ranges is made possible. The term "radiation" refers in particular to electromagnetic radiation having a wavelength in the x-ray, UV, VIS, NIR, IR, or microwave range. Preferably, the detector device for image recording of the scattered radiation is respectively corresponding to a wavelength in the X-ray, UV, VIS, NIR, IR, or microwave range. Particular preference is given to characterizing laser radiation having a wavelength in the UV, VIS, NIR or IR range. But also for other wavelength ranges there are specific advantages. So, is based on allowing the emission generated during the Re ¬ combination radiation, the measurement of Inten ¬ sitätsverteilungen ionizing radiation such as X-ray or XUV / UV radiation, damage the conventional radiation detectors, or would destroy.
Weiche Röntgen-Strahlung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren charakterisiert wird, weist vorzugsweise eine Energie von 0.1 bis 1 keV auf. Beispielsweise ist bei einer Wellenlänge im Bereich von 1 nm bis 10 nm, entsprechend etwa 1000 eV bis 100 eV, die Streuung und Absorption in Luft bereits mit der Streuung sichtbaren Lichtes in Luft vergleichbar. Die Charakterisierung von Röntgen-Strahlung ist z.B. bei Anwendungen in der Halbleiterindustrie, insbesondere für die Mik- rolithographie von Interesse, für die es bisher keine geeig- neten nicht-invasiven Strahldiagnoseverfahren gibt. Soft X-ray radiation, which is characterized by the method according to the invention, preferably has an energy of 0.1 to 1 keV. For example, at a wavelength in the range of 1 nm to 10 nm, corresponding to about 1000 eV to 100 eV, the scattering and absorption in air is already comparable to the scattering of visible light in air. The characterization of X-ray radiation is e.g. for applications in the semiconductor industry, in particular for microlithography of interest, for which there are hitherto no suitable non-invasive beam diagnostic methods.
Vorzugsweise ist die Rekonstruktionseinrichtung zur nichtanalytischen, insbesondere algebraischen oder statistischen, tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrah- lung eingerichtet. Besonders bevorzugt umfasst die tomographische Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung einen iterativen Algorithmus. Preferably, the reconstruction device is set up for nonanalytical, in particular algebraic or statistical, tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation. Particularly preferably, the tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation comprises an iterative algorithm.
Die tomographische Rekonstruktion mit einem nicht-analyti- sehen Verfahren hat gegenüber analytischen Verfahren Vorteile in der erzielbaren Qualität und Quantifizierbarkeit des Rekonstruktionsergebnisses, insbesondere dadurch, dass sie artefaktfreier und räumlich aufgelöster berechnet werden. The tomographic reconstruction with a non-analytical method has advantages compared to analytical methods in the achievable quality and quantifiability of the reconstruction result, in particular by being calculated artifact-free and spatially resolved.
Nicht-analytische Verfahren können z. B. die bei der ange- strebten geringen Projektionsanzahl sonst zu erwartenden Sampling-Artefakte im Rekonstruktionsergebnis erheblich ver¬ ringern. Weiterhin erlauben sie prinzipiell die Berücksichti¬ gung aller im Zuge der Bildakquirierung auftretenden, übli- cherweise die Bildqualität degradierenden, physikalischen Ef¬ fekte. Dies können beispielsweise die Charakteristik des abbildenden Systems sein (die so genannte Punktabbildungsfunktion, PSF) oder etwa das Auftreten von Reflektions- Streustrahlung . Allen nicht-analytischen Verfahren gemein ist, dass sie den Raum von vornherein diskret auffassen, somit auch das Rekonstruktionsergebnis und die Messdaten. Das heißt, das zu ermittelnde Rekonstruktionsergebnis wird durch die Diskretisierung des Raumes in eine Vielzahl dreidimensionaler Voxel zerlegt; die Messdaten werden entsprechend in ei- ne Vielzahl zweidimensionaler Pixel zerlegt. Non-analytical methods may e.g. For example, the targeted small projection number otherwise expected sampling artifacts in the reconstruction result wrestlers considerably ver ¬. Furthermore, they allow in principle the Berücksichti ¬ account all occurring in the course of Bildakquirierung, cherweise usual degrading the image quality, physical ef ¬ fect. These may be, for example, the characteristic of the imaging system (the so-called point imaging function, PSF) or, for example, the occurrence of reflection scattered radiation. What is common to all non-analytical methods is that they discreetly perceive space from the outset, including the reconstruction result and the measurement data. That is, the reconstruction result to be determined is decomposed into a plurality of three-dimensional voxels by the discretization of the space; The measured data are correspondingly decomposed into a multiplicity of two-dimensional pixels.
Eine erste Untergruppe nicht-analytischer Rekonstruktionsverfahren sind algebraische Rekonstruktionsverfahren. Sie invertieren ein lineares Gleichungssystem oder ermitteln dessen Pseudoinverse (Moore-Penrose-Inverse ) . Die Vielzahl algebraischer Rekonstruktionsverfahren wird wegen der hohen Dimensio- nalität der Aufgabenstellung iterativ durchgeführt, beispielhaft mit den Algorithmen ART, MART, oder SMART. Vorzugsweise erfolgt die tomographische Rekonstruktion mit einer zweiten Untergruppe der nicht-analytischen Rekonstruktionsverfahren, nämlich den statistischen Rekonstruktionsverfahren. Diese werden ebenfalls im Wesentlichen iterativ durchgeführt. Sie haben insbesondere Vorteile bei der Rekon- struktion basierend auf verrauschten Bildaufnahmen von A first subset of non-analytical reconstruction methods are algebraic reconstruction methods. They invert a linear equation system or determine its pseudoinverse (Moore-Penrose inverse). The multitude of algebraic reconstruction methods is carried out iteratively because of the high degree of complexity of the task, for example with the algorithms ART, MART, or SMART. Preferably, the tomographic reconstruction is performed with a second subset of the non-analytical reconstruction methods, namely the statistical reconstruction method. These are also performed essentially iteratively. They have particular advantages in the reconstruction based on noisy images of
Streustrahlung (Messdaten (y) ) . Beispielsweise kann das Pois- sonrauschen der Messdaten, wie es aufgrund der geringen Intensität der Streustrahlung auftreten kann, implizit berücksichtigt werden. Statistische Verfahren basieren auf der For- mulierung eines hochdimensionalen Ziel- oder Kostenfunktionais F(f), welches für eine bestimmte Wahl der Voxelwerte ein, bestenfalls globales, Minimum annimmt. Die Gesamtheit eben dieser Voxelwerte, für die das Kostenfunktional mini- miert wird, stellt das Rekonstruktionsergebnis f dar. Je nach der Art der Formulierung des Zielfunktionals und der Art der iterativen Rechenvorschrift (des Algorithmus) für die Suche des Zielfunktionalminimums gibt es eine Vielzahl von anwendbaren statistischen, iterativen Rekonstruktionsmethoden. Scattered radiation (measured data (y)). For example, the noise characteristic of the measured data, as may occur due to the low intensity of the scattered radiation, can be implicitly taken into account. Statistical procedures are based on the research mulation of a high-dimensional objective or cost function F (f), which assumes a minimum, at best global, minimum for a given choice of voxel values. The totality of precisely these voxel values, for which the cost functional is minimized, represents the reconstruction result f. There are a multiplicity of applicable ones depending on the type of formulation of the target function and the type of iterative calculation rule (of the algorithm) for the search of the target functional minimum statistical, iterative reconstruction methods.
Das Zielfunktional F(f) besteht aus mindestens zwei Komponenten. Der die Bildgebung formulierende tomographische Daten- Mismatch-Term L(y_, f) fordert, im Rahmen der Rauschcharakteristik der Messdaten _ , die Übereinstimmung der Vor- wärtsproj ektionen von f, berechnet durch Anwendung einer Systemmatrix A auf f, f, mit den Messwerten y. Die Systemmatrix A formuliert dabei die Messgeometrie und berücksichtigt prinzipiell alle physikalischen Effekte der Messwerte- Entstehung. Vorzugsweise wird als der tomographische Daten- Mismatch-Term der Maximum-Likelihood-Term verwendet, welcher die üblicherweise auftretende Poisson-Rauschcharakteristik der Streustrahlung berücksichtigt. The objective function F (f) consists of at least two components. The tomographic data mismatch term L (y_, f) formulating the imaging requires, within the noise characteristic of the measured data _, the correspondence of the forward projections of f, calculated by applying a system matrix A to f, f, with the measured values y. The system matrix A formulates the measurement geometry and, in principle, takes into account all the physical effects of the generation of measured values. The maximum likelihood term is preferably used as the tomographic data mismatch term, which takes into account the normally occurring Poisson noise characteristic of the scattered radiation.
Die zweite Komponente des Zielfunktionals ist vorgesehen, da die Formulierung des Zielfunktionals allein durch den Daten- Mismatch-Term ein so genanntes schlecht gestelltes Problem ist, welches im Zuge des iterativen Minimierungsprozesses im allgemeinen zu einer Rauschverstärkung des Rekonstruktionsergebnisses führt. Deshalb wird das Zielfunktional vorzugsweise durch einen Bayes-artigen Regularisierungsterm R{f) ergänzt, dem Vorkenntnisse über Nachbarschaftsverhältnisse der Voxelwerte des Rekonstruktionsergebnisses zugrunde liegen. Die statistische tomographische Rekonstruktion unter Verwendung der Streustrahlungs-Bilder wird vorzugsweise analog zu der tomographischen Rekonstruktion von emissionstomographi- schen Messdaten ausgeführt, die in US 8,559,690 beschrieben ist. Entsprechend wird vorzugsweise das zu minimierende Ziel¬ funktional durch einen dritten Term ergänzt. Dies ist ein, die Spärlichkeit oder aber mindestens die Komprimierbarkeit von f verstärkender Lp-Norm-Term mit (0 ^ p < 2), insbesondere ein Ll-Norm-Term: || Tr f || i . Da die Komprimierbarkeit von f im Allgemeinen nicht im Ortsraum gegeben ist, wird f vermittels TT in eine spärliche oder aber mindestens komprimierte Darstellung transformiert, etwa durch Anwendung einer dreidimensionalen Wavelet-Transformation, welche weiterhin so gewählt wird, dass sie möglichst inkohärent zur Systemmatrix A. ist. Mit der Einsetzung dieses Terms ist vorteilhafterweise das Compressive-Sensing-Paradigma verbunden, mit dem eine erhebliche Reduktion der Anzahl der für eine artefaktfreie Rekonstruktion benötigen Einzel-Messungen der Streustrahlung unter verschiedenen Winkeln ermöglicht wird. The second component of the objective function is provided because the formulation of the objective function alone by the data mismatch term is a so-called ill-posed problem which, in the course of the iterative minimization process, generally results in noise enhancement of the reconstruction result. Therefore, the target functional is preferably complemented by a Bayesian regularization term R {f) based on prior knowledge of neighborhood ratios of the voxel values of the reconstruction result. The statistical tomographic reconstruction using the scattered radiation images is preferably carried out analogously to the tomographic reconstruction of emission tomographic measurement data, which is described in US Pat. No. 8,559,690. Accordingly, the target to be minimized ¬ functionally is preferably supplemented by a third term. This is one, the sparseness or at least the compressibility of f amplifying Lp-norm term with (0 ^ p <2), in particular a Ll-norm term: || T r f || i. Since the compressibility of f is generally not given in space, f T is transformed into a sparse or at least compressed representation by means of T T , for example by using a three-dimensional wavelet transformation, which is further selected such that it is as incoherent as possible to the system matrix A , is. The use of this term advantageously combines the compressive-sensing paradigm, which makes possible a considerable reduction in the number of individual measurements of the scattered radiation required for artifact-free reconstruction at different angles.
Das zu minimierende Zielfunktional wird daher vorzugsweise formuliert wie folgt: The objective function to be minimized is therefore preferably formulated as follows:
F(f) = L(Z, hf) + \\ XTf\\ i + R(f) , α und ß sind Faktoren, die die Wirkung der jeweiligen Zielfunktionalkomponenten bestimmen. Der zur Minimierung des Zielfunktionals zu verwendende Algorithmus ist frei wählbar, soweit er den numerisch anspruchsvollen Ll-Norm-Term angemessen berücksichtigt. Dies betrifft insbesondere die Forderung, nach der die Voxelwerte der Randbedingung f > 0 genügen müssen. Deshalb wird vorzugsweise ein so genannter "Alternating Direction Method of Multipliers" (ADMM) -Algorithmus angewendet. Die Charakterisierung des Strahlungsfeldes umfasst vorzugs¬ weise die Ermittlung der Strahlparameter in einem partikel¬ freien Medium. Unter praktischen Anwendungsbedingungen können jedoch Staubteilchen im Messabschnitt Artefakte und Störungen der Rekonstruktion verursachen. Bei der Erfassung von Ray- leigh-Streuung ist daher vorzugsweise eine Eliminierung von Staub- und Mie-Streuungsereignissen im Medium vorgesehen. Ge¬ mäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfin¬ dung wird vorzugsweise ein rein statistischer Ansatz zur De- tektion und ggfs. Eliminierung der Staub- und Mie-F (f) = L ( Z , hf) + \\ X T f \\ i + R (f), α and β are factors that determine the effect of the respective target functional components. The algorithm to be used for minimizing the target function is arbitrary, as far as it adequately considers the numerically demanding L1-term. This concerns in particular the requirement according to which the voxel values must satisfy the boundary condition f> 0. Therefore, a so-called "Alternating Direction Method of Multipliers" (ADMM) algorithm is preferably used. The characterization of the radiation field comprises ¬ preference, the determination of beam parameters in a particulate ¬ free medium. Under practical conditions of use, however, dust particles in the measuring section can cause artifacts and disturbances in the reconstruction. When detecting Rayleigh scattering, it is therefore preferable to eliminate dust and Mie scattering events in the medium. Ge ¬ Mäss a particularly advantageous embodiment of the dung OF INVENTION ¬ is preferably a purely statistical approach to tektion de- and optionally, elimination of dust and Mie
Streuungsereignisse im Medium eingesetzt. Dabei werden zeit¬ lich aufeinander folgend mehrere Streustrahlungs-Bilder aufgenommen und Artefakt-trächtige Streuereignisse, die von Partikeln im Medium herrühren, durch eine statistische Analyse der Serie von Streustrahlungs-Bildern eliminiert. Dieser Ansatz beruht somit auf einer effektiven Verrechnung mehrerer, zeitlich aufeinander folgender Einzelmessungen, und er benötigt vorteilhafterweise keine vorbestimmten Parameter. Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, die Felddichte der Streustrahlung unter Berücksichtigung von Partikeln im Medium zu rekonstruieren, welche ohne diese Berücksichtigung zu Artefakten der rekonstruierten Felddichte führen würden. Für ein zeitlich hinreichend stationäres Strahlungsfeld ließe sich dementsprechend die mit jeder Projektionsrichtung verbundene Messung mehrfach ausführen. Transiente Streuereignisse werden, wenn die iederholungsfreguenz der Mehrfachmessung an die mittlere Bewegungsgeschwindigkeit der Staubteilchen angepasst ist, durch eine pixelweise durchgeführte Medianbildung effektiv eliminiert. Gleichzeitig werden die der tomographischen Rekonstruktion zugeführten Proj ektionsbilder entrauscht . Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Verwendung nicht-analytischer Verfahren beschränkt. Alternativ können analytische Verfahren angewendet werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie Rekonstruktionsergebnis und Messdaten als kontinuierliche Funktionen auffassen und eine, implizit den Proj ektionsprozess vereinfachende, Integralgleichung di¬ rekt lösen. Beispiele dafür sind die gefilterte Rückprojekti¬ on (FBP) und die Rückprojektion gefilterter Projektionen (CBP) . Scatter events used in the medium. Several scattered radiation images are time-sequentially recorded ¬ Lich and artifact pregnant scattering events that result from particles in the medium is eliminated by a statistical analysis of the series of scattered radiation images. This approach is thus based on an effective accounting of several, temporally successive individual measurements, and advantageously requires no predetermined parameters. According to an alternative variant of the invention, it may be provided to reconstruct the field density of the scattered radiation taking into account particles in the medium, which would lead to artefacts of the reconstructed field density without this consideration. Accordingly, for a temporally sufficiently sufficient radiation field, the measurement associated with each projection direction could be carried out several times. Transient scattering events, when the repetition frequency of the multiple measurement is matched to the mean moving velocity of the dust particles, are effectively eliminated by pixel-by-pixel median formation. At the same time, the projection images supplied to the tomographic reconstruction are emptied out. The application of the invention is not limited to the use of non-analytical methods. Alternatively, analytical methods can be used, which are characterized by the fact that they understand the reconstruction result and measurement data as continuous functions and solve a, implicitly simplify the Proj ektionsprozess, integral equation di ¬ rectly. Examples are the filtered Rückprojekti ¬ one (FBP) and the back-projection of filtered projections (CBP).
Vorteilhafterweise kann die tomographische Rekonstruktion so ausgeführt werden, dass der ggf. durch eine Referenzmessung ermittelte Beleuchtungshintergrund nicht von den Streustrah- lungs-Bildern (Projektionen) subtrahiert, sondern implizit im Rahmen eines Vorwärts- und Rückwärtsproj ektionsprozesses der tomographischen Rekonstruktion berücksichtigt wird. Der aktuelle Beleuchtungshintergrund kann z.B. eine äußere Beleuchtung, falls das Medium im Messvolumen nicht vollständig gegen von außen einfallendes Licht abgeschirmt werden kann, Advantageously, the tomographic reconstruction can be carried out in such a way that the illumination background, which may be determined by a reference measurement, is not subtracted from the scattered radiation images (projections) but is taken into account implicitly in a forward and backward reprocessing process of the tomographic reconstruction. The current illumination background may e.g. external illumination, if the medium in the measuring volume can not be completely shielded against external light,
und/oder Sekundärstreuung der Rayleigh-Streuung an Objekten in der Nähe des Messaufbaus umfassen. Im letzteren Fall wird die Sekundärstreuung, welche im Projektionsbereich des Strahlungsfeldes vom Strahlungsfeld selbst überstrahlt wird, in diesem Projektionsbereich durch Interpolation geschätzt. and / or secondary scattering of Rayleigh scattering at objects in the vicinity of the measurement setup. In the latter case, the secondary scattering, which is outshined by the radiation field itself in the projection region of the radiation field, is estimated by interpolation in this projection region.
Die Seitenrichtungen, in denen die Streustrahlungs-Bilder aufgenommen werden, verlaufen senkrecht zur Longitudinalrich- tung, wobei sie in diesem Fall die Radialrichtungen darstellen, oder mit einem Winkel kleiner oder größer 90° relativ zur Longitudinalrichtung . The lateral directions in which the scattered radiation images are taken are perpendicular to the longitudinal direction, in this case representing the radial directions, or at an angle of less than or greater than 90 ° relative to the longitudinal direction.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Detektorarray zur Bildaufnähme von Streustrahlung derart angeordnet, dass die Seitenwinkel solcherart verteilt sind, dass die Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung senkrecht zur Longitudinalrichtung einen Messbereich von 180° bis 360° aufspannen. Wenn das Streumedium die Streustrahlung auf dem Weg zur According to a further preferred embodiment of the invention, the at least one detector array for image recording of stray radiation is arranged such that the side angles are distributed such that the components of the recorded scatter radiation perpendicular to the longitudinal direction span a measuring range of 180 ° to 360 °. If the scattering medium on the way to the scattered radiation
Strahlungsfeld-Messeinrichtung innerhalb und/oder außerhalb des Strahlungsfeldes homogen oder inhomogen schwächt, wird die Erfassung der Streustrahlung vorzugsweise aus derart gewählten Seitenrichtungen vorgenommen, dass deren jeweiligen Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung des Strahlungsfeldes über 360° verteilt sind. Wenn die Schwächung der Streustrahlung durch das Streumedium auf dem Weg zur Strahlungsfeld-Messeinrichtung vernachlässigbar ist, wird die Erfassung der Streustrahlung vorzugsweise aus derart gewählten Seitenrichtungen vorgenommen, dass deren jeweiligen Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung des Strahlungsfeldes über 180° verteilt sind.  Radiation field measuring device within and / or outside the radiation field homogeneous or inhomogeneous weakens, the detection of scattered radiation is preferably made of such selected lateral directions that their respective components are distributed perpendicular to the longitudinal direction of the radiation field over 360 °. If the attenuation of the scattered radiation by the scattering medium on the way to the radiation field measuring device is negligible, the detection of the scattered radiation is preferably carried out from side directions chosen such that their respective components are distributed perpendicular to the longitudinal direction of the radiation field over 180 °.
Vorzugsweise wird die Streustrahlung in Seitenrichtungen ge- messen, deren Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung über den Messbereich gleichmäßig verteilt angeordnet sind, außer in dem Fall, dass es sich um eine gerade Anzahl von Seitenrichtungen handelt, deren Komponenten senkrecht zur Longitudinalrichtung über 360° zu verteilen sind. In diesem Fall werden sie vorzugsweise ungleichmäßig über den Messbereich verteilt. Vorteilhafterweise wird damit die Aufnahme redundanter Bildinformation der Streustrahlung vermieden, und die Anzahl der Seitenrichtungen, die bei einer konkreten Anwendung der Erfindung zur Charakterisierung des Strahlungs- feldes erforderlich sind, kann minimiert werden. Preferably, the scattered radiation is measured in lateral directions, the components of which are arranged distributed uniformly perpendicular to the longitudinal direction over the measuring region, except in the case that it is an even number of lateral directions whose components are to be distributed perpendicular to the longitudinal direction over 360 ° , In this case, they are preferably distributed unevenly over the measuring range. Advantageously, the recording of redundant image information of the scattered radiation is thereby avoided, and the number of lateral directions which are required in a specific application of the invention for characterizing the radiation field can be minimized.
Vorteilhafterweise kann die Charakterisierung des Strahlungsfeldes unter Verwendung von Streustrahlungs-Bilder erfolgen, die in nur zwei verschiedenen Seitenrichtungen (Seitenwinkel ungleich 180°, vorzugsweise um 90°) aufgenommen wurden. Alternativ werden Streustrahlungs-Bilder entlang von mindestens drei Seitenrichtungen, insbesondere mindestens vier (bei ei¬ nem Messbereich von 180°) oder mindestens fünf (bei einem Messbereich von 360°) Seitenrichtungen aufgenommen und der tomographischen Rekonstruktion unterzogen. Advantageously, the characterization of the radiation field can be carried out using scattered radiation images which are displayed in only two different lateral directions (side angles not equal to 180 °, preferably around 90 °) were recorded. Alternatively, scattered radiation images along at least three side directions, in particular at least four (EI ¬ nem measuring range of 180 °) or at least five was added (at a measuring range of 360 °) side directions and subjected to the tomographic reconstruction.
Gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Detektoreinrichtung zur Bildaufnahme der Streustrahlung senkrecht zur Longitudinalrichtung angeordnet. In diesem Fall können sich Vorteile aufgrund des verfügbaren Platzes und der Justierung der Detektoreinrichtung relativ zur Longitudinalrichtung ergeben. Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung kann die Bildaufnahme mit einem Winkel kleiner oder größer als 90° relativ zur Longitudinalrichtung erfolgen, wobei sich Vorteile durch einen Zuwachs der Streuintensität ergeben, wenn sich der Winkel der Seitenrichtung der Bildaufnahme relativ zur Longitudinalrichtung verringert oder vergrößert. Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Detektoreinrichtung für eine spektral selektive Bildaufnahme der Streustrahlung konfiguriert ist, d.h. mit der Detektoreinrichtung Streustrahlungs-Bilder nur in einem begrenzten Spektralbereich aufgenommen werden, können sich Vorteile für eine verbesserte Unterdrückung störender Fremdstrahlung und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis der Rekonstruktion ergeben. Die Detektoreinrichtung kann z.B. mit mindestens einem geeigneten Filter ausgestattet sein, der den gewünschten Spektralbereich durchläset. Ein weiterer Vorteil der spektral selektiven Bildaufnahme der Streustrahlung besteht in der Vereinfachung der Rekonstruktion polychromatischer Strahlungsfelder . Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die Felddichte in einem Messabschnitt des zu untersuchenden According to a preferred variant of the invention, the detector device is arranged perpendicular to the longitudinal direction for image recording of the scattered radiation. In this case, advantages may arise due to the available space and the adjustment of the detector device relative to the longitudinal direction. According to an alternative variant of the invention, the image recording can take place at an angle smaller or greater than 90 ° relative to the longitudinal direction, with advantages resulting from an increase in the scattering intensity when the angle of the lateral direction of the image recording decreases or increases relative to the longitudinal direction. If, according to a further embodiment of the invention, the detector device is configured for spectrally selective image acquisition of the scattered radiation, ie if scattered radiation images are recorded with the detector device only in a limited spectral range, there can be advantages for an improved suppression of interfering extraneous radiation and an improved signal-to-noise ratio. Ratio of reconstruction revealed. The detector device can be equipped with at least one suitable filter, for example, which reads through the desired spectral range. Another advantage of the spectrally selective image recording of the scattered radiation is the simplification of the reconstruction of polychromatic radiation fields. Advantageously, there are various possibilities, the field density in a measuring section of the examined
Strahlungsfeldes zu rekonstruieren. Gemäß einer ersten Vari¬ ante wird ein ebener schichtförmiger Ausschnitt (Schicht- Ausschnitt) des Strahlungsfeldes erfasst. Da die Schicht eine endliche Dicke hat, wird die rekonstruierte Felddichte als volumenhafte Größe erfasst. Der Schicht-Ausschnitt kann senkrecht oder geneigt relativ zur Longitudinalrichtung ausgerichtet sein. Die Dicke des Schicht-Ausschnitts ist vorzugs- weise so gewählt, dass die Felddichte innerhalb der Schicht näherungsweise konstant ist. Bei dieser Variante ist die Re¬ konstruktionseinrichtung zur tomographischen Rekonstruktion einer transversalen oder geneigten Schicht der Felddichte der Streustrahlung in dem Schicht-Ausschnitt endlicher Dicke des Strahlungsfeldes eingerichtet. Radiation field to reconstruct. According to a first variant , a planar layer-shaped cutout (layer cutout) of the radiation field is detected. Since the layer has a finite thickness, the reconstructed field density is detected as a volumetric size. The slice section may be oriented perpendicularly or inclined relative to the longitudinal direction. The thickness of the slice section is preferably selected so that the field density within the slice is approximately constant. In this variant, the re ¬ constructing means adapted for tomographic reconstruction of a transverse or inclined layer of the field density of the scattered radiation in the layer-neck finite thickness of the radiation field.
Ein konventionelles, invasives Strahlprofilmessgerät erfasst im Allgemeinen eine zweidimensionale Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes senkrecht zu dessen Longitudinalrich- tung. Die erfindungsgemäß rekonstruierte volumenhafte Felddichte der Streustrahlung lässt sich, bei einer entsprechenden Orientierung der Schicht, durch die Integration der Felddichte von jedem Voxel in longitudinaler Richtung des Strahlungsfeldes und der anschließenden Multiplikation mit einem Konversionsfaktor, ebenfalls in eine zweidimensionale Intensitätsverteilung überführen. A conventional, invasive beam profiler generally measures a two-dimensional intensity distribution of the radiation field perpendicular to its longitudinal direction. The volumetric field density of the scattered radiation reconstructed according to the invention can, with a corresponding orientation of the layer, also be converted into a two-dimensional intensity distribution by the integration of the field density of each voxel in the longitudinal direction of the radiation field and the subsequent multiplication with a conversion factor.
Die Ermittlung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung aus nur einer einzelnen rekonstruierten Schicht der Felddich- te der Streustrahlung hat Vorteile im verringerten Geräte- und Rechenaufwand gegenüber einer sich über mehrere Schichten erstreckenden Messung und Rekonstruktion. So kann die Detektoreinrichtung vorzugsweise Linien-Detektorarrays umfassen, mit denen linienhafte Streustrahlungs-Bilder aufgenommen wer- den. Vorteilhafterweise ergibt dies einen vereinfachten Aufbau der Detektoreinrichtung. The determination of the two-dimensional intensity distribution from only a single reconstructed layer of the field density of the scattered radiation has advantages in terms of the reduced equipment and computation outlay over a measurement and reconstruction extending over several layers. Thus, the detector device may preferably comprise line detector arrays with which linear scattered radiation images are recorded. the. This advantageously results in a simplified construction of the detector device.
Gemäß einer zweiten Variante wird ein dreidimensionaler, ty- pischerweise zylinder- oder kegelstumpfförmiger, Volumen- Ausschnitt des Strahlungsfeldes erfasst, der aus mehreren Schichten endlicher Dicke oder in anderer Weise volumenhaft geeignet angeordneter Voxel besteht. In diesem Fall ist die Rekonstruktionseinrichtung zur tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung im gesamten dreidimensionalen Volumenausschnitt, welcher sich in jeder Dimension durch die Aneinanderreihung von Voxeln konstituiert, eingerichtet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung umfasst die Detektoreinrichtung vorzugsweise Flächen-Detektorarrays . Der Volu- men-Ausschnitt ist insbesondere aus mindestens zwei aneinander gereihten Schicht-Ausschnitten, vorzugsweise in Longitu- dinalrichtung aneinander gereiht, zusammengesetzt. Der Volumen-Ausschnitt kann sich durch eine in Longitudinalrichtung veränderliche Felddichte auszeichnen. According to a second variant, a three-dimensional, typically cylindrical or frustoconical, volume cut-out of the radiation field is detected, which consists of several layers of finite thickness or voxels arranged in a suitable manner of a suitable volume. In this case, the reconstruction device for the tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation in the entire three-dimensional volume section, which is constituted in each dimension by the juxtaposition of voxels, is set up. In this embodiment of the invention, the detector device preferably comprises area detector arrays. The volume cutout is composed, in particular, of at least two layered cut-outs which are arranged next to one another, preferably in the longitudinal direction. The volumetric cut-out can be distinguished by a field density which varies in the longitudinal direction.
Vorteilhafterweise bestehen des Weiteren verschiedene Möglichkeiten, die Detektoreinrichtung zu konfigurieren. Gemäß einer ersten Variante kann die Detektoreinrichtung mehrere Detektorkameras umfassen, die jeweils mit mindestens einem Detektorarray ausgestattet sind. In diesem Fall ist für jede Seitenrichtung, in der ein Streustrahlungs-Bild aufgenommen werden soll, eine zugehörige Detektorkamera vorgesehen. Jede Detektorkamera liefert ein Streustrahlungs-Bild für eine der Seitenrichtungen, so dass sich Vorteile ergeben, wenn die Streustrahlungs-Bilder unmittelbar und ohne zusätzliche optische Elemente aufgenommen werden sollen. Advantageously, there are also various options for configuring the detector device. According to a first variant, the detector device may comprise a plurality of detector cameras, which are each equipped with at least one detector array. In this case, an associated detector camera is provided for each side direction in which a scattered radiation image is to be recorded. Each detector camera provides a scattered image for one of the lateral directions, so that there are advantages if the scattered radiation images are to be recorded directly and without additional optical elements.
Gemäß einer zweiten Variante kann die Detektoreinrichtung eine einzige Detektorkamera umfassen, die eine Vielzahl von De- tektorarrays enthält, die jeweils zur Bildaufnahme von According to a second variant, the detector device may comprise a single detector camera which has a plurality of detectors. contains detector arrays, each for image acquisition of
Streustrahlung in einer der Seitenrichtungen angeordnet sind. Die Detektorarrays können z. B. getrennte Arrays, z. B. CCD- Chips, oder bevorzugt Abschnitte eines gemeinsamen Arrays, z. B. CCD-Chips, umfassen. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil eines vereinfachten Aufbaus und Betriebs der Detektoreinrichtung . Stray radiation are arranged in one of the lateral directions. The detector arrays can, for. B. separate arrays, z. B. CCD chips, or preferably portions of a common array, for. B. CCD chips include. This embodiment of the invention has the advantage of simplified construction and operation of the detector device.
Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er- findung eine Ablenkeinrichtung vorgesehen ist, die zur Ablenkung der Streustrahlung entlang der Vielzahl von Seitenrichtungen auf die mehreren Detektorkameras oder die einzige Detektorkamera angeordnet ist, können sich Vorteile für die Positionierung der mindestens einen Detektorkamera, insbesonde- re mit einem Abstand und/oder gemeinsam an einer Seite von dem Strahlungsfeld ergeben. Die Ablenkeinrichtung umfasst optische Elemente, besonders bevorzugt mindestens ein katoptri- sches Element (insbesondere Spiegel) und/oder mindestens ein dioptrisches Element (insbesondere Prismen und/oder Linsen) , mit denen der Strahlweg der Streustrahlung jeweils von einer der Seitenrichtungen zu der zugehörigen Detektorkamera aufgespannt wird. Die optischen Elemente können für eine Abbildung der Streustrahlung auf die mindestens eine Detektorkamera ausgelegt sein. If, according to a further preferred embodiment of the invention, a deflection device is provided which is arranged to deflect the scattered radiation along the plurality of lateral directions onto the plurality of detector cameras or the single detector camera, advantages for the positioning of the at least one detector camera, in particular with a distance and / or together on one side of the radiation field. The deflection device comprises optical elements, particularly preferably at least one catoptric element (in particular mirrors) and / or at least one dioptric element (in particular prisms and / or lenses) with which the beam path of the scattered radiation is spanned from one of the lateral directions to the associated detector camera becomes. The optical elements can be designed for imaging the scattered radiation on the at least one detector camera.
Vorteilhafterweise kann die Ablenkeinrichtung mehrere katopt- rische Elemente, insbesondere mehrere Reflektorabschnitte, umfassen, die jeweils zur Ablenkung der Streustrahlung entlang einer der Seitenrichtungen hin zu einem der Detek- torarrays angeordnet sind. Die Reflektorabschnitte sind vorzugsweise einzelne, ebene oder abbildende Spiegel oder zu einem Axicon-Reflektor verbunden, der axialsymmetrisch zur Lon- gitudinalrichtung angeordnet ist. Die einzelnen Spiegel haben Vorteile in Bezug auf die optimierbare Justierung der einzel- nen Strahlwege, während mit dem Axicon-Reflektor vorteilhafterweise der Messaufbau vereinfacht wird. Advantageously, the deflection device can comprise a plurality of catoptical elements, in particular a plurality of reflector sections, which are each arranged to deflect the scattered radiation along one of the lateral directions toward one of the detector arrays. The reflector sections are preferably individual, planar or imaging mirrors or connected to an axicon reflector, which is arranged axially symmetrical to the longitudinal direction. The individual mirrors have advantages with regard to the optimizable adjustment of the individual NEN beam paths, while with the axicon reflector advantageously the measurement structure is simplified.
Wenn die Detektoreinrichtung eine einzige Detektorkamera mit mehreren Detektorarrays umfasst, ist als weiteres katoptri- sches Element vorzugsweise ein Sammelreflektor vorgesehen, der Strahlwege von den Seitenrichtungen über die Reflektorabschnitte sammelt und zu der Detektorkamera richtet. Der Sammelreflektor hat den Vorteil, dass die Justierung der Detek- torkamera relativ zu den Reflektorabschnitten vereinfacht wird . If the detector device comprises a single detector camera with a plurality of detector arrays, a collecting reflector is preferably provided as another catoptric element which collects beam paths from the lateral directions via the reflector sections and directs them to the detector camera. The collective reflector has the advantage that the adjustment of the detector camera is simplified relative to the reflector sections.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Strahlungsfeld-Messeinrichtung mit einer According to a further advantageous embodiment of the invention, the radiation field measuring device with a
Strahldreheinrichtung ausgestattet sein, die ein drehbares Prisma, insbesondere Dove-Prisma, und/oder einen drehbaren Spiegel aufweist und die zur Drehung des Strahlungsfeldes um die Longitudinalrichtung eingerichtet ist. In diesem Fall enthält die Detektoreinrichtung eine einzige Detektorkamera, die zur Bildaufnahme von Streustrahlung angeordnet ist. Für die Aufnahme von Streustrahlungs-Bildern in der Vielzahl von Seitenrichtungen wird das Strahlungsfeld mit der Strahldreheinrichtung in verschiedene Drehpositionen relativ zur Detektorkamera gedreht. Es wird angemerkt, dass diese Ausfüh- rungsform für eine nicht-destruktive Messung ausgelegt ist, d.h. sie erlaubt die Gleichzeitigkeit von Messung am Strahlungsfeld und primärer Anwendung des Strahlungsfeldes. Allerdings ist diese Ausführungsform nur bei Strahlungsfeldintensitäten anwendbar, die den Einsatz des drehbaren Prismas und/oder Spiegels erlauben. Beam turning device to be equipped, which has a rotatable prism, in particular Dove prism, and / or a rotatable mirror and which is adapted to rotate the radiation field around the longitudinal direction. In this case, the detector device contains a single detector camera, which is arranged to record stray radiation. For the acquisition of scattered radiation images in the plurality of lateral directions, the radiation field is rotated with the beam rotator in different rotational positions relative to the detector camera. It is noted that this embodiment is designed for non-destructive measurement, i. it allows the simultaneity of measurement at the radiation field and primary application of the radiation field. However, this embodiment is only applicable to radiation field intensities that allow the use of the rotatable prism and / or mirror.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Charakterisierung des Strahlungsfeldes die Ermittlung von Strahlparametern unmittelbar aus der tomogra- phisch rekonstruierten Felddichte der Streustrahlung. Vor¬ zugsweise ist eine Analysatoreinrichtung vorgesehen, die Teil der Rekonstruktionseinrichtung oder separat von dieser ange¬ ordnet ist und mindestens einen Strahlparameter des Strah- lungsfeldes aus der Felddichte der Streustrahlung ermittelt. Vorteilhafterweise kann mit der Analysatoreinrichtung mindestens einer der folgenden Strahlparameter berechnet werden: Feld-Strahlparameter, wie z. B. die Pulsenergie oder Puls¬ energiedichte des Strahlungsfeldes im Falle gepulster Strah- lung, die Felddichte des Strahlungsfeldes im Falle kontinu¬ ierlicher Strahlung, Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes, Wellenfronten des Strahlungsfeldes, Rayleigh-Längen des Strahlungsfeldes, oder Beugungsmaßzahlen, M2 -Parameter und Strahlpropagationsfaktoren k des Strahlungsfeldes, und/oder geometrische Strahlparameter, wie z.B. geometrische Eigenschaften des Strahlungsfeldes, insbesondere Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und/oder Strahlform, Eigenschaften der Strahltaille des Strahlungsfeldes, insbesondere Radius, Position entlang der Longitudinalrichtung, und/oder Form des Fo- kus in transaxialer Schnittführung, und/oder räumliche Lage des Strahlungsfeldes im Medium. Vorteilhafterweise können die Strahlparameter einzeln, in Teilgruppen oder vollständig aus einer einzigen Messung am Strahlungsfeld ermittelt werden. Wenn die Analysatoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung für eine zeitlich fortlaufende Ermittlung des mindestens einen Strahlparameters und seiner zeitlichen Stabilität eingerichtet ist, ergeben sich Vorteile für die laufende Überwachung des Strahlungsfeldes und ggf. die Steuerung einer Strahlquelle zur Erzeugung des Strahlungsfeldes . According to a particularly preferred embodiment of the invention, the characterization of the radiation field comprises the determination of beam parameters directly from the tomographic phically reconstructed field density of scattered radiation. Before ¬ preferably an analyzer means is provided, which part of the reconstruction device or separately from this ¬ attached is arranged and at least one beam parameter of the radiative field from the field density of the scattered radiation detected. Advantageously, at least one of the following beam parameters can be calculated with the analyzer device: Field beam parameters, such as eg. B. the pulse energy or pulse ¬ energy density of the radiation field in the case of pulsed radiation, the field density of the radiation field in the case of kontinu ¬ ierlicher radiation, coherence properties of the radiation field, wavefronts of the radiation field, Rayleigh lengths of the radiation field, or diffraction coefficients, M 2 parameters and Beam propagation factors k of the radiation field, and / or geometrical beam parameters, such as geometric properties of the radiation field, in particular beam diameter, divergence angle and / or beam shape, properties of the beam waist of the radiation field, in particular radius, position along the longitudinal direction, and / or shape of the focus in transaxial cutting guide, and / or spatial position of the radiation field in the medium. Advantageously, the beam parameters can be determined individually, in subgroups or completely from a single measurement on the radiation field. If the analyzer device according to a further embodiment of the invention for a continuous determination of the at least one beam parameter and its temporal stability is established, there are advantages for the continuous monitoring of the radiation field and possibly the control of a beam source for generating the radiation field.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann die Analysatoreinrichtung zur Berechnung von Strahleigenschaften einge- richtet sein, die von den ermittelten Stahlparametern abgeleitet sind. Ein bevorzugtes Beispiel ist die Berechnung der Strahlpropagation, insbesondere mittels einer Wellenfrontana- lyse. Die Berechnung der Strahlpropagation erlaubt, dass bei einer Untersuchung des Strahlungsfeldes in einem Messabschnitt, der von einem Ort der Einwirkung des Strahlungsfeldes auf ein Material beabstandet ist, Strahlparameter am Ort der Einwirkung ermittelt werden. Beispielsweise kann der Fokus des Strahlungsfeldes charakterisiert und die Position des Fokus erfasst werden, auch wenn eine Aufnahme der für die tomographische Rekonstruktion verwendeten Streustrahlungs- Bilder außerhalb des Fokus erfolgt. According to a further variant of the invention, the analyzer device can be used to calculate beam properties. be derived from the determined steel parameters. A preferred example is the calculation of the beam propagation, in particular by means of a wavefront analysis. The calculation of the beam propagation allows, in an investigation of the radiation field in a measuring section, which is spaced from a location of the action of the radiation field on a material, to determine beam parameters at the location of the action. For example, the focus of the radiation field can be characterized and the position of the focus can be detected, even if a recording of the scattered radiation images used for the tomographic reconstruction takes place outside the focus.
Die Strahlungsfeld-Messeinrichtung kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung mit einer Partikelentfernungseinrichtung ausgestattet sein, die zur Bereitstellung des Mediums im Messabschnitt der Strahlungsfeld- Messeinrichtung in einem partikelfreien Zustand eingerichtet ist. Die Partikelentfernungseinrichtung hat den Vorteil, Staubteilchen aus dem Messabschnitt zu entfernen, welche andernfalls Artefakte und Störungen der Rekonstruktion verursachen könnten. Vorteilhafterweise sind verschiedene technische Maßnahmen verfügbar, mit denen Staubpartikel entfernt werden können, wie z. B. elektrostatische Filter, mechanische Filter zur Erzeugung eines konstanten Partikel-freien Medien-Stromes durch den Messabschnitt, und/oder Spülgasguellen zur Bereitstellung gereinigter Medien oder eines Spülgases für den Messabschnitt . Gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung kann die Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung verwendet werden, um eine volumetrische Partikelverteilung im Strahlungsfeld zu ermitteln. Vorteilhafterweise liefern in diesem Fall Zwischenergebnisse der erfindungsgemäß angewendeten Rekonstruk- tion Informationen über das Vorhandensein, die räumliche Verteilung, die Form und die Größenverteilung streuender Parti¬ kel im untersuchten Strahlungsfeld. Aus letzterer lassen sich wiederum Partikelspektren ableiten. In accordance with a further advantageous embodiment of the invention, the radiation field measuring device can be equipped with a particle removal device which is set up to provide the medium in the measuring section of the radiation field measuring device in a particle-free state. The particle removal device has the advantage of removing dust particles from the measuring section, which could otherwise cause artifacts and disturbances of the reconstruction. Advantageously, various technical measures are available with which dust particles can be removed, such. As electrostatic filters, mechanical filters for generating a constant particle-free media flow through the measuring section, and / or Spülgasguellen to provide purified media or a purge gas for the measuring section. According to another application of the invention, the reconstruction of the field density of the scattered radiation can be used to determine a volumetric particle distribution in the radiation field. Advantageously, in this case, intermediate results of the reconstructed Information about the presence, the spatial distribution, the shape and the size distribution of scattering Parti ¬ kel in the examined radiation field. From the latter, in turn, particle spectra can be derived.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens sind eine Überwachung und/oder eine Steuerung einer Strahlungsquelle vorgesehen, mit der das untersuchte Strahlungsfeld erzeugt wird. Ermittelte Strahlpara- meter des Strahlungsfeldes werden verwendet, um den Betriebszustand der Strahlungsquelle zu überwachen und ggf. einzustellen und/oder mit einem Regelkreis zu stabilisieren. Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle eine Laserquelle, die z. B. für eine lasergestützte Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken oder ein Fertigungsverfahren in der Halbleitertechnik oder ein lasergestützte chirurgisches Verfahren eingerichtet ist. According to a particularly preferred embodiment of the method according OF INVENTION ¬ dung monitoring and / or controlling a radiation source are provided with which the examined radiation field is generated. Determined beam parameters of the radiation field are used to monitor the operating state of the radiation source and to adjust it if necessary and / or to stabilize it with a control loop. Preferably, the radiation source is a laser source, the z. B. for laser-assisted material processing in cutting and joining techniques or a manufacturing method in semiconductor technology or a laser-assisted surgical method is set up.
Die Einstellung und optionale Regelung der Strahlungsquelle kann z. B. die Betätigung einer Fokussiereinrichtung derThe setting and optional control of the radiation source can be z. B. the operation of a focusing of the
Strahlungsquelle in Abhängigkeit von der ermittelten Position des Fokus des Strahlungsfeldes entlang der Longitudinalrich- tung derart umfassen, dass der Fokus auf eine vorbestimmte Arbeitsposition, z. B. auf der Oberfläche eines zu bearbei- tenden Materials eingestellt wird. Radiation source in dependence on the determined position of the focus of the radiation field along the longitudinal direction comprise such that the focus on a predetermined working position, for. B. is set on the surface of a material to be machined.
Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlungsquelle eine Stelleinrichtung enthalten, mit der Strahlparameter des Alternatively or additionally, the radiation source may include an adjusting device with the beam parameters of
Strahlungsfeldes veränderlich sind, wobei in diesem Fall die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von einem ermittelten Radiation field are variable, in which case the adjusting device in response to a determined
Strahlparameter, besonders bevorzugt in Abhängigkeit von einem Intensitätsprofil des Strahlungsfeldes entlang der Lon- gitudinalrichtung, insbesondere im Fokus des Strahlungsfeldes, gesteuert wird. Kurzbeschreibung der Zeichnungen Beam parameter, particularly preferably in dependence on an intensity profile of the radiation field along the longitudinal direction, in particular in the focus of the radiation field, is controlled. Brief description of the drawings
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen be- schrieben. Es zeigen schematisch : Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. They show schematically:
Figur 1: eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä¬ ßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung,· 1 shows a preferred embodiment of the invention shown SEN radiation field measurement device ·
Figur 2: eine Anordnung von Reflektorabschnitten der Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Figur 1; FIG. 2 shows an arrangement of reflector sections of the radiation field measuring device according to FIG. 1;
Figur 3: eine Anordnung von Detektorkameras zur Aufnahme von Figure 3: an arrangement of detector cameras for receiving
Streustrahlungs-Bildern;  Scattered radiation images;
Figuren 4 bis 14: Merkmale weiterer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung mit verschiedenen Varianten einer Ablenkeinrichtung; FIGS. 4 to 14 show features of further embodiments of the radiation field measuring device according to the invention with different variants of a deflection device;
Figur 15: Merkmale einer Strahlungsfeld-Messeinrichtung mit einer Strahldreheinrichtung; und FIG. 15 shows features of a radiation field measuring device with a beam turning device; and
Figur 16: ein Flussdiagramm mit einer Illustration von Merk- malen bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. FIG. 16 shows a flowchart with an illustration of features of preferred embodiments of the method according to the invention.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Untersuchung von Strahlungsfeldern von Licht (Lichtfelder), die z. B. kontinuierliches oder gepulstes Laserlicht oder nicht-kohärentes Licht, insbesondere im UV-, VIS- oder IR-Wellenlängenbereich umfassen, mit der tomographischen Rekonstruktion unter Verwendung von Streulicht-Bildern beschrieben. Optische Elemente der Strahlungsfeld-Messeinrichtung umfassen entsprechend ins¬ besondere Spiegel, Linsen und/oder Prismen. Die Umsetzung der Erfindung in der Praxis ist jedoch nicht auf die Charakteri¬ sierung von Licht beschränkt, sondern entsprechend mit Strahlungsfeldern anderer Wellenlängen, z.B. Röntgenstrahlung möglich. In diesen Fällen werden die optischen Elemente ggf. durch entsprechende Elemente zur Strahllenkung und/oder DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION Features of preferred embodiments of the invention will be described below by way of example with reference to the investigation of radiation fields of light (light fields), e.g. B. continuous or pulsed laser light or non-coherent light, in particular in the UV, VIS or IR wavelength range include, described with the tomographic reconstruction using scattered light images. Optical elements of the radiation field measuring device according to include ¬ special mirrors, lenses and / or prisms. However, the implementation of the invention in practice is not limited to the CHARACTERI ¬ tion of light, but in accordance with radiation fields of other wavelengths, it is possible, for example, X-ray radiation. In these cases, the optical elements, if necessary, by appropriate elements for beam steering and / or
-abbildung, wie z. B. Röntgenoptiken, Vielschichtspiegel oder Spiegelanordnungen mit streifendem Einfall, ersetzt, und die Detektorkamera ( s ) umfassen z.B. CCD-Kameras mit Konverterschichten oder Kameras mit Bildwandlerröhren. Des Weiteren werden die Strahlungsfeld-Messeinrichtung und Verfahren zu deren Betrieb insbesondere unter Bezug auf die Sammlung von Streulicht-Bildern und den Aufbau der Detektoreinrichtung beschrieben. Einzelheiten des Rekonstruktionsverfahrens können realisiert werden, wie von herkömmlichen Verfahren der Emissionstomographie, insbesondere gemäß US 8,559,690 bekannt ist. picture, such as X-ray optics, multilayer mirrors or grazing incidence mirror assemblies, and the detector camera (s) include e.g. CCD cameras with converter layers or cameras with image converter tubes. Furthermore, the radiation field measuring device and methods for its operation will be described in particular with reference to the collection of scattered light images and the structure of the detector device. Details of the reconstruction method can be realized as known from conventional methods of emission tomography, in particular according to US 8,559,690.
Die Sammlung von Streulicht-Bildern kann bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Verwendung einer Ablenkeinrichtung mit katoptrischen und/oder dioptrischen Elementen erfolgen. Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung mit katoptrischen Elementen können entsprechend auch durch diopt- rische Elemente realisiert werden (und umgekehrt) . Beispielsweise können die Wirkungen von Reflektorabschnitten durch optische Linsen realisiert werden. Katoptrische Elemente, wie z. B. Spiegel, haben jedoch Vorteile, da sie keinen Farbfehler haben und leichter an eine elliptische Anordnung mit Strahlumlenkung angepasst werden können. Multispiegelanord- nungen mit mehreren Reflektorabschnitten haben ferner im Ver- gleich zu Linsen- oder Prismenanordnungen oder der Verwendung einer einzelnen Detektorkamera den Vorteil einer hohen Raumwinkelabdeckung . Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 zur Cha¬ rakterisierung eines Lichtfeldes 1 mit einer Detektoreinrichtung 10, einer Ablenkeinrichtung 30 und einer Rekonstruktionseinrichtung 20. Bei dieser Ausführungsform umfasst die De- tektoreinrichtung 10 eine einzige Detektorkamera 11. DieThe collection of scattered light images can be done in preferred embodiments of the invention using a baffle with catoptric and / or dioptric elements. Features of embodiments of the invention with catoptric elements can accordingly also be realized by dioptre elements (and vice versa). For example, the effects of reflector portions can be realized by optical lenses. Katoptrische elements such. As mirror, however, have advantages because they have no color aberration and can be easily adapted to an elliptical arrangement with beam deflection. Multi-mirror arrangements with multiple reflector sections have also been similar to lens or prism arrays or the use of a single detector camera, the advantage of high solid angle coverage. 1 shows schematically a first embodiment of the radiation field-measuring device 100 for Cha ¬ characterization of a light box 1 with a detector device 10, a deflection device 30 and a reconstruction means 20. In this embodiment the detector means 10 comprises a single detector camera 11. The
Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 ist zur Charakterisierung des Lichtfeldes 1 eines Laserstrahls vorgesehen, der zum Zweck der Materialbearbeitung mit einer Laserquelle 210, z. B. einem C02-Laser, einem Nd-YAG-Laser oder einem Scheiben- laser, erzeugt und auf die Oberfläche eines Werkstücks 220 fokussiert wird. Beispielsweise soll die Modenstruktur und Leistung des Lichtfeldes 1 und die Position eines Fokus auf der Oberfläche des Werkstücks 220 erfasst und ggf. gesteuert werden. Der Lichtweg des Lichtfeldes 1 verläuft mit einer Strahlrichtung, die hier als Longitudinalrichtung z bezeichnet wird, durch einen Messabschnitt 4, der ein Medium 2, z. B. Luft, enthält. Im Messabschnitt 4 hat das Lichtfeld 1 eine Querschnittsdimension von z.B. 10 μπι bis 10 cm, typischerweise von 1 mm bis 10 mm. Radiation field measuring device 100 is provided for characterizing the light field 1 of a laser beam, which for the purpose of material processing with a laser source 210, z. As a C0 2 laser, a Nd-YAG laser or a disc laser, and is focused on the surface of a workpiece 220. For example, the mode structure and power of the light field 1 and the position of a focus on the surface of the workpiece 220 should be detected and possibly controlled. The light path of the light field 1 extends with a beam direction, which is referred to here as a longitudinal direction z, by a measuring section 4, the medium 2, z. As air contains. In the measuring section 4, the light field 1 has a cross-sectional dimension of eg 10 .mu.m to 10 cm, typically from 1 mm to 10 mm.
Figur 1 zeigt die Untersuchung des Lichtfeldes 1, das direkt von der Laserquelle 210 erzeugt wird. Alternativ kann, wenn die Felddichte der Strahlung genügend gering ist, das Lichtfeld 1 mit einem Strahlteiler von einem Hauptstrahl abge- zweigt sein, der auf das zu bearbeitende Material gerichtet ist . FIG. 1 shows the examination of the light field 1, which is generated directly by the laser source 210. Alternatively, if the field density of the radiation is sufficiently low, the light field 1 can be branched off with a beam splitter from a main beam which is directed onto the material to be processed.
Das Lichtfeld 1 wird an den Molekülen des Mediums 2 gestreut, so dass Streulicht 3 erzeugt wird. Das Streulicht 3 wird in und entgegen der Longitudinalrichtung z und seitlich zu dieser mit Komponenten in der x-y-Ebene abgestrahlt. Ein Teil des Streulichts 3 wird bei vorbestimmten Seitenrichtungen mit der Ablenkeinrichtung 30 gesammelt (siehe Figur 2A) und zur Detektorkamera 11 der Detektoreinrichtung 10 gerichtet. Mit der Detektorkamera 11 werden Streulicht-Bilder 6 des im The light field 1 is scattered on the molecules of the medium 2, so that scattered light 3 is generated. The scattered light 3 is in and against the longitudinal direction z and laterally emitted to it with components in the xy plane. Part of the scattered light 3 is collected at predetermined lateral directions with the deflector 30 (see FIG. 2A) and directed toward the detector camera 11 of the detector device 10. With the detector camera 11 scattered light images 6 of the im
Lichtfeld 1 erzeugten Streulichts 3 entlang der Seitenrichtungen aufgenommen (siehe Figur 2B) . Die Ablenkeinrichtung 30 umfasst Reflektorabschnitte 31 und einen Sammelreflektor 32 in Gestalt von ebenen Spiegeln, die im dargestellten Beispiel relativ zur Longitudinalrichtung z um 45° geneigt sind. Es sind z. B. vier Reflektorabschnitte 31 vorgesehen, welche Streulicht 3 vom Lichtfeld 1 in vier Seitenrichtungen 5 zu dem Sammelreflektor 32 reflektieren. Die Seitenrichtungen 5 sind in Bezug auf die x-y-Ebene mit verschiedenen Seitenwinkeln vorzugsweise ungleichmäßig verteilt angeordnet, wie in Figur 2A schematisch gezeigt ist. Von jedem Reflektorabschnitt 31 wird ein Bild des im Licht- feld 1 erzeugten Streulichts 3 über den Sammelreflektor 32 zur Detektorkamera 11 reflektiert. Die Reflektorabschnitte 31 haben Vorteile für die Vermeidung von Hintergrundrauschen aus Sekundärstreuung, da letztere aus der Anordnung der Reflektorabschnitte 31 geleitet wird. Light field 1 generated scattered light 3 along the lateral directions recorded (see Figure 2B). The deflection device 30 comprises reflector sections 31 and a collection reflector 32 in the form of plane mirrors, which are inclined in the illustrated example relative to the longitudinal direction z by 45 °. There are z. B. four reflector portions 31 are provided, which reflect light 3 from the light field 1 in four lateral directions 5 to the collecting reflector 32. The side directions 5 are preferably distributed non-uniformly with respect to the x-y plane with different side angles, as shown schematically in FIG. 2A. From each reflector section 31, an image of the scattered light 3 generated in the light field 1 is reflected via the collecting reflector 32 to the detector camera 11. The reflector sections 31 have advantages for the prevention of background noise from secondary scattering, since the latter is guided out of the arrangement of the reflector sections 31.
Die Detektoreinrichtung 10 umfasst eine einzige Detektorkamera 11 mit einem Detektorarray 12, z.B. einem CCD-Chip vom Typ Sony ICX285, und einem Kameraobjektiv 13. Die Streulicht- Bilder 6 können mit einem einheitlichen Detektorarray 12 auf- genommen werden. Pixelgruppen des Detektorarrays 12 stellen mehrere Linien-Detektorarrays oder mehrere Flächen- Detektorarrays für die Bildaufnahme des Streulichts 3 bereit. Alternativ können einzelne, getrennte Detektorarrays zur Bildaufnahme des Streulichts 3 vorgesehen sein. Für eine spektral selektive Bildaufnahme des Streulichts 3 kann die Detektoreinrichtung 10 mit einem farbempfindlichen Detek- torarray 12 und/oder einer spektral selektiven Filtereinrich¬ tung (nicht dargestellt) ausgestattet sein. Die Detektorkame- ra 11 bildet mit dem Kameraobjektiv 13 über die Planspiegel der Reflektorabschnitte 31 und des Sammelreflektors 32 die zweidimensionale Intensitätsverteilung des Streulichts 3 im Bereich des Lichtfelds 1 ab. Die Begrenzungslinien des Streulichtes 3 geben dabei einen Eindruck vom Pharoidstrahlengang des Kameragesichtsfeldes. Dabei werden auf dem Detektorarray 12 über die verschiedenen Spiegel mehrere Ansichten des The detector device 10 comprises a single detector camera 11 with a detector array 12, for example a CCD chip of the type Sony ICX285, and a camera objective 13. The scattered light images 6 can be recorded with a uniform detector array 12. Pixel groups of the detector array 12 provide a plurality of line detector arrays or multiple area detector arrays for imaging the scattered light 3. Alternatively, individual, separate detector arrays may be provided for imaging the scattered light 3. For one spectrally selective image pickup of the scattered light 3, the detector device 10 with a color-sensitive Detek- torarray 12 and / or a spectrally selective Filtereinrich ¬ device (not shown) to be equipped. The detector camera 11 forms the two-dimensional intensity distribution of the scattered light 3 in the region of the light field 1 with the camera objective 13 via the plane mirrors of the reflector sections 31 and the collecting reflector 32. The boundary lines of the scattered light 3 give an impression of the Pharoidstrahlengang the camera field of view. In this case, on the detector array 12 on the different mirrors several views of
Streulichts von dem Lichtfeld 1 aus unterschiedlichen Seitenrichtungen abgebildet. Wie in Figur 2B schematisch gezeigt ist, werden mit dem Kameraobjektiv 13 z.B. vier Streulicht- Bilder 6 auf dem Detektorarray 12 erzeugt. Die Detektorkamera 11 liefert ein Bildsignal, das die Streulicht-Bilder 6 repräsentiert, zu der Rekonstruktionseinrichtung 20. Scattered light from the light field 1 shown from different lateral directions. As shown schematically in Figure 2B, with the camera lens 13, e.g. generates four stray light images 6 on the detector array 12. The detector camera 11 supplies an image signal representing the scattered light images 6 to the reconstruction device 20.
Die Rekonstruktionseinrichtung 20 umfasst eine Computer- Einheit, die zur Ausführung eines computertomographischen Rekonstruktionsprozesses auf der Grundlage der Bildsignale der Detektorkamera 11 ausgelegt ist. Die Rekonstruktionseinrichtung 20 berechnet aus den Streulicht-Bildern 6 und der bekannten Geometrie der Ablenkeinrichtung 30, insbesondere der Verteilung der Seitenwinkel 5 der Reflektorabschnitte 31, die Felddichte des Streulichts 3 im Lichtfeld 1. The reconstruction device 20 comprises a computer unit which is designed to carry out a computer tomographic reconstruction process on the basis of the image signals of the detector camera 11. The reconstruction device 20 calculates the field density of the scattered light 3 in the light field 1 from the scattered light images 6 and the known geometry of the deflection device 30, in particular the distribution of the side angles 5 of the reflector sections 31.
Die tomographische Rekonstruktion ergibt ein dreidimensionales Modell ( 3D-Datensat z ) der Intensitätsverteilung des The tomographic reconstruction yields a three-dimensional model (3D dataset z) of the intensity distribution of the
Streulichtes 3 im abgebildeten Volumenbereich des Lichtfeldes 1. Diese dreidimensionale Intensitätsverteilung des Streulichtes 3 ist eine Funktion der lokalen Strahlungsintensität des zu vermessenden Lichtfeldes. Das Modell der Intensitätsverteilung charakterisiert die räumliche Helligkeitsvertei- lung des Lichtfeldes, und es enthält vorteilhafterweise we¬ sentlich mehr Informationen über das Lichtfeld 1 als jede der projektiven zweidimensionalen Kameraansichten und mehr als eine Serie aus zweidimensionalen Intensitätspro ektionen des Messbereiches des Lichtfeldes 1, die gemäß US 8 988 673 B2 gemessen werden können und sogar mehr als eine Serie aus in¬ vasiv und direkt gemessenen Intensitätsprofilen mit einem senkrecht zur z-Achse stehenden abbildenden Detektor. Figur 1 illustriert des Weiteren, dass die Rekonstruktionseinrichtung 20 mit einer Analysatoreinrichtung 21 und einer Anzeigeeinrichtung ausgestattet sein kann. Mit der Analysatoreinrichtung 21 können unter Verwendung der dreidimensionalen Felddichte des Streulichts 3 im Lichtfeld 1 weitere Scattered light 3 in the illustrated volume range of the light field 1. This three-dimensional intensity distribution of the scattered light 3 is a function of the local radiation intensity of the light field to be measured. The model of the intensity distribution characterizes the spatial brightness distribution. development of the light field, and it contains advantageously we ¬ sentlich more information about the light field 1 than any of the projective two-dimensional camera views and more than one series of two-dimensional Intensitätspro ections of the measurement range of the light box 1, which can be measured according to US 8,988,673 B2 and even more than a series of in ¬ vasiv and directly measured intensity profiles with a perpendicular to the z-axis imaging detector. FIG. 1 furthermore illustrates that the reconstruction device 20 can be equipped with an analyzer device 21 and a display device. With the analyzer device 21, by using the three-dimensional field density of the scattered light 3 in the light field 1 further
Strahlparameter, wie z. B. die Intensität oder die Lage des Fokus berechnet werden. Die ermittelten Strahlparameter als Fehlergrößen können zur Regelung der Laserquelle 210 verwendet werden, um vorbestimmte Strahlparameter einzustellen, die z. B. von einer schematisch gezeigten Steuereinrichtung 50 vorgegeben werden. Beam parameters, such. B. the intensity or the position of the focus can be calculated. The determined beam parameters as error quantities can be used to control the laser source 210 to set predetermined beam parameters, the z. B. by a control device 50 shown schematically.
Merkmale einer weiteren Ausführungsform der Strahlungsfeld- Messeinrichtung mit einer Detektoreinrichtung 10, die mehrere Detektorkameras 11 aufweist (Mehrfachkameraanordnung) , sind schematisch in Figur 3 gezeigt. Die Detektorkameras 11 sind um das Lichtfeld 1 in radialen Richtungen gleichmäßig verteilt angeordnet. Alternativ kann eine ungleichmäßige Verteilung der Detektorkameras 11 vorgesehen sein. Jede der Detektorkameras 11 ist zur Aufnahme eines Streulicht-Bildes des Lichtfeldes 1 angeordnet. In diesem Fall kann auf die in Figur 1 gezeigte Ablenkeinrichtung 30 verzichtet werden. An Stelle mehrerer Teilbilder auf dem Detektorarray 12 (Figur 2B) entstehen mehrere einzelne Kamerabilder aus verschiedenen Seitenrichtungen. Die Bildsignale der Detektorkameras 11 wer- den in einer Rekonstruktionseinrichtung (in Figur 3 nicht gezeigt) der tomographischen Rekonstruktion unterzogen. Features of a further embodiment of the radiation field measuring device with a detector device 10 which has a plurality of detector cameras 11 (multiple camera arrangement) are shown schematically in FIG. The detector cameras 11 are arranged uniformly distributed around the light field 1 in radial directions. Alternatively, an uneven distribution of the detector cameras 11 may be provided. Each of the detector cameras 11 is arranged to receive a scattered light image of the light field 1. In this case, the deflection device 30 shown in FIG. 1 can be dispensed with. Instead of a plurality of partial images on the detector array 12 (FIG. 2B), a plurality of individual camera images arise from different lateral directions. The image signals of the detector cameras 11 are subjected in a reconstruction device (not shown in Figure 3) of the tomographic reconstruction.
Figur 4 zeigt eine Variante der Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 mit einer einzigen Detektorkamera 11 (Figur 1) , wobei die Anordnung von Reflektorabschnitten 31 der Ablenkeinrichtung 30 durch einen Axicon-Reflektor 33 (einzelner hohlkegelförmiger Reflektor) ersetzt ist. Der Axicon-Reflektor 33 ist dafür ausgelegt, dass auf dem Detektorarray 12 zahlreiche Bilder des Streulichts 3 von dem Lichtfeld 1 aus unterschiedlichen Seitenrichtungen abgebildet werden. Die Verwendung des Axicon- Reflektors 33 liefert weitere Vorteile in Zusammenhang mit compressive sensing (CS) , da die Axicon-Messungen der im CS- Sinne geforderten „Inkohärenz" Rechnung tragen, insofern sie die Projektion der Streustrahlung des Strahlungsfeldes entlang seiner longitudinalen Ausdehnung in Strahlrichtung mit kontinuierlich zunehmender räumlicher Auflösung abbilden. Abweichend von Figur 4 kann der Axicon-Reflektor 33 durch zwei Axicon-Teilreflektoren ersetzt werde, die durch Halbierung des Axicon-Reflektors 33 in Longitudinalrichtung der Lichtfeldes 1 und Zusammensetzen der Hälften, wobei ein Teilreflektor um 180° gedreht ist, erhalten werden. Diese Varian- te der Erfindung kann Vorteile durch einen Ausgleich der am Axicon-Reflektor 33 möglichen, ungleichmäßigen räumlichen Auflösung bieten. FIG. 4 shows a variant of the embodiment of the radiation field measuring device 100 according to the invention with a single detector camera 11 (FIG. 1), the arrangement of reflector sections 31 of the deflection device 30 being replaced by an axicon reflector 33 (individual hollow cone-shaped reflector). The axicon reflector 33 is designed so that numerous images of the scattered light 3 from the light field 1 from different lateral directions are imaged on the detector array 12. The use of the axicon reflector 33 provides further advantages in connection with compressive sensing (CS), since the axicon measurements take into account the "incoherence" required in the CS sense insofar as they project the scattered radiation of the radiation field along its longitudinal extension in the beam direction Notwithstanding Figure 4, the axicon reflector 33 can be replaced by two axicon subreflectors by halving the axicon reflector 33 in the longitudinal direction of the light field 1 and assembling the halves, wherein a partial reflector rotated by 180 ° This variant of the invention can provide advantages by balancing the uneven spatial resolution possible on the axicon reflector 33.
Eine weitere Variante der Strahlungsfeld-Messeinrichtung 100 mit einer einzigen Detektorkamera 11 ist in Figur 5 gezeigt, wobei der Axicon-Reflektor durch eine Anordnung von streifenförmigen Planspiegeln 34 ersetzt ist, die fächerförmig auf einer Hohlkegelfläche angeordnet sind. In diesem Fall werden auf dem Detektorarray 12 zahlreiche Bilder des Streulichts 3 des Lichtfelds 1 aus unterschiedlichen Seitenrichtungen erzeugt . A further variant of the radiation field measuring device 100 with a single detector camera 11 is shown in FIG. 5, wherein the axicon reflector is replaced by an arrangement of strip-shaped plane mirrors 34 which are fan-shaped on a hollow cone surface. In this case, numerous images of the scattered light 3 are formed on the detector array 12 of the light field 1 generated from different lateral directions.
Die Figuren 6 und 7 illustrieren die Anwendung der Ausfüh- rungsform gemäß Figur 5 bei der Charakterisierung eines nicht-kollimierten Lichtfeldes 1. Der Durchmesser des Lichtfeldes 1 durchläuft an einem Fokus 7 ein Minimum. Gemäß Figur 6 wird mit der Ablenkeinrichtung das Streulicht 3 vom Messabschnitt 4, der den Fokus 7 enthält, zur Detektorkamera 11 ge- lenkt. Die tomographische Rekonstruktion der Felddichte des Streulichts 3 im Lichtfeld 1 liefert direkt eine Charakterisierung des Fokus 7. Alternativ kann das Streulicht 3 in einem Messabschnitt 4 mit einem Abstand vom Fokus 7 erfasst werden, wie in Figur 7 gezeigt ist. Die dreidimensionale Re- konstruktion der Felddichte des Streulichts 3 ermöglicht eine Wellenfrontanalyse und eine Erfassung der Propagationseigen- schaften des Lichtfeldes 1, insbesondere von dessen geometrischer Form, und liefert damit indirekt ebenfalls eine Charakterisierung des Fokus 7 und seiner Position. Die Ausführungs- form der Figur 7 kann dahingehend abgewandelt sein, dass sich der Fokus 7 außerhalb der Ablenkeinrichtung 30 befindet. Vorteilhafterweise kann damit berührungslos und nicht-invasiv der Fokus 7 z. B. auf der Oberfläche eines zu bearbeitenden Materials untersucht werden. FIGS. 6 and 7 illustrate the application of the embodiment according to FIG. 5 in the characterization of a non-collimated light field 1. The diameter of the light field 1 passes through a minimum at a focus 7. According to FIG. 6, the deflecting device 3 deflects the scattered light 3 from the measuring section 4, which contains the focus 7, to the detector camera 11. The tomographic reconstruction of the field density of the scattered light 3 in the light field 1 directly provides a characterization of the focus 7. Alternatively, the scattered light 3 can be detected in a measuring section 4 with a distance from the focus 7, as shown in FIG. The three-dimensional reconstruction of the field density of the scattered light 3 enables a wavefront analysis and a detection of the propagation properties of the light field 1, in particular of its geometric shape, and thus indirectly also provides a characterization of the focus 7 and its position. The embodiment of FIG. 7 may be modified to the effect that the focus 7 is located outside the deflection device 30. Advantageously, it can contactless and non-invasive focus 7 z. B. on the surface of a material to be processed.
Merkmale abgewandelter Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Strahlungsfeld-Messeinrichtung sind in den Figuren 8A und 8B gezeigt, wobei die Longitudinalrichtung z des Lichtfeldes 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft. In beiden Fäl- len ist eine Ablenkeinrichtung 30 mit mehreren Reflektorabschnitten 31 (Planspiegel) vorgesehen, die Streulicht 3 vom Lichtfeld 1 zur Detektorkamera 11 der Detektoreinrichtung 10 umlenken. Es sind z. B. vier Reflektorabschnitte 31 vorgesehen . Die Reflektorabschnitte 31 sind mit Oberflächen parallel zur Longitudinalrichtung z so angeordnet, dass eine Mittellinie jedes Reflektorabschnitts 31 eine Tangente an einer Ellipse in der x-y-Ebene bildet, wobei sich in einem Brennpunkt der Ellipse die Detektorkamera 11 (Figur 8A) oder ein Abbildungs¬ objektiv 14 eines flexiblen oder starren Bildleitfaserbündels 15 (Figur 8B) und in dem anderen Brennpunkt das Lichtfeld 1 befinden. Zusammen mit der direkten Kameraperspektive auf das Lichtfeld 1 ergeben sich fünf verschiedene Seitenrichtungen und entsprechend fünf verschiedene Streulicht-Bilder. Gemäß Figur 8A werden die Streulicht-Bilder gleichzeitig direkt über das Kameraobjektiv 13 mit der Detektorkamera 11 aufgenommen. Gemäß Figur 8B erfolgt die Aufnahme der Streulicht- Bilder über das Abbildungsobjektiv 14, das Bildleitfaserbündel (Lichtwellenleiter-Bündel mit geordneten Fasern) 15 und eine Relaisoptik 16 mit der Detektorkamera 11 ohne Objektiv. Die Bildsignale der Detektorkamera 11, welche die Streulicht- Bilder beinhalten, werden zur Rekonstruktionseinrichtung (nicht dargestellt) geliefert. Features of modified embodiments of a radiation field measuring device according to the invention are shown in FIGS. 8A and 8B, wherein the longitudinal direction z of the light field 1 extends perpendicular to the plane of the drawing. In both cases, a deflection device 30 with a plurality of reflector sections 31 (plane mirror) is provided, which deflects scattered light 3 from the light field 1 to the detector camera 11 of the detector device 10. There are z. B. four reflector sections 31 is provided. The reflector portions 31 are arranged with surfaces parallel to the longitudinal direction z so that a center line of a tangent line of each reflector portion 31 of an ellipse in the xy plane, with the detector camera 11 (Figure 8A) or an imaging ¬ objective in a focus of the ellipse 14 of a flexible or rigid Bildleitfaserbündels 15 (Figure 8B) and in the other focus the light field 1 are located. Together with the direct camera perspective on the light field 1, there are five different lateral directions and correspondingly five different scattered light images. According to FIG. 8A, the stray-light images are simultaneously recorded directly via the camera objective 13 with the detector camera 11. According to FIG. 8B, the scattered-light images are recorded via the imaging objective 14, the image-guide fiber bundle (fiber-optic bundle with ordered fibers) 15 and a relay optics 16 with the detector camera 11 without an objective. The image signals of the detector camera 11 including the scattered light images are supplied to the reconstruction device (not shown).
Die Ausführungsform gemäß Figur 8B hat den Vorteil, dass die Detektorkamera 11 mit einem Abstand vom Messabschnitt 4 angeordnet werden kann, so dass sich störende Bedingungen im Messabschnitt 4, wie z. B. elektromagnetische Störfelder oder extreme Temperaturen, nicht auf die Detektorkamera 11 auswirken . The embodiment according to FIG. 8B has the advantage that the detector camera 11 can be arranged at a distance from the measuring section 4, so that disturbing conditions in the measuring section 4, such as, for example, are produced. B. electromagnetic interference fields or extreme temperatures, not affect the detector camera 11.
Die ebenen Reflektorabschnitte 31 der Figuren 8A und 8B kön- nen durch gekrümmte Reflektorabschnitte 31 ersetzt werden, wie beispielhaft in den Figuren 9 und 10 illustriert ist. Die asphärisch gekrümmten Reflektorabschnitte 31, die vorzugsweise außer-axiale Ellipsoide oder Paraboloide umfassen, haben eine abbildende und lichtsammelnde Wirkung. Die gekrümmten Reflektorabschnitte 31 sind mit ihren Mittellinien auf der oben unter Bezug auf Figur 8 beschriebenen Ellipse angeordnet. Streulicht 3 von dem Lichtfeld 1 wird auf eine einzige Detektorkamera 11 mit einem entozentrischen Objektiv 13 (Fi- gur 9) oder auf zwei Detektorkameras 11 mit entozentrischen Objektiven 13 (Figur 10) abgebildet. The planar reflector sections 31 of FIGS. 8A and 8B can be replaced by curved reflector sections 31, as illustrated by way of example in FIGS. 9 and 10. The aspherically curved reflector sections 31, which preferably comprise extra-axial ellipsoids or paraboloids, have an imaging and light-gathering effect. The curved ones Reflector sections 31 are arranged with their center lines on the ellipse described above with reference to FIG. Stray light 3 from the light field 1 is imaged on a single detector camera 11 with an entocentric objective 13 (FIG. 9) or on two detector cameras 11 with entocentric objectives 13 (FIG. 10).
Die gekrümmten Reflektorabschnitte 31 haben eine Wirkung wie eine Feldlinse (oder ein Feldspiegel), die in objektseitig telezentrischen Objektiven zwischen Objekt und Kamera vorgesehen ist. Telezentrisch heißt hier insbesondere auch, dass es keine entfernungsbedingten Abbildungsmaßstabsänderungen gibt. Die für telezentrische Objektive typische interne Blende zur Erzwingung der Telezentrie ist in Figur 9 nicht darge- stellt. Die Vorteile der Anordnung der gekrümmten Reflektorabschnitte 31 als Feldspiegel bestehen erstens in der hohen numerischen Apertur der von den Reflektorabschnitten 31 gebildeten Abbildungsoptik und der gesteigerten Lichtstärke und zweitens in der telezentrischen Wirkung auf der Seite des zu vermessenden Lichtfeldes 1. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine geringere abstandsabhängige Verzeichnung gegenüber einfacheren Anordnungen mit Planspiegeln oder bei Multikame- ra-Anordnungen gemäß Figur 3. Die objektseitig telezentrische Abbildung des Streulichtes 3 kann konstruktionsbedingt eine Verringerung der Lichtstärke ergeben. Um diese zu kompensieren, kann die Anordnung der Reflektorabschnitte 31 gemäß Figur 9 so abgewandelt werden, dass ein Kompromiss einerseits mit ausreichend hohem Licht- sammelvermögen und ausreichender Tiefenschärfe und andererseits ausreichender Telezentrie erzielt wird. Gemäß einer weiteren Abwandlung der Ausführungsform von Figur 9 könnten die Reflektorabschnitte 31 durch einen Axicon-Reflektor mit elliptischer Wölbung ersetzt werden. Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Ablenkeinrichtung 30 dioptrische Elemente, insbesondere Linsen 35, 36 und/oder Prismen 37, umfasst, sind in den Figur 11 und 12 il- lustriert. Figur 11 zeigt die Ablenkeinrichtung 30 mit zwei Linsen 35, 36, die z. B. aus Quarzglas hergestellt sind und gemeinsam mit dem Objektiv der Detektorkamera 11 eine F- Theta-Anordnung bilden. Ähnlich wie beim Axicon-Reflektor liefern die Linsen 35, 36 ein kontinuierliches Bild, das Streulicht 3 aus allen erfassten Seitenwinkeln nebeneinander enthält, wobei die einzelnen Streulicht-Bilder für die tomographische Rekonstruktion aus dem kontinuierlichen Bild rechnerisch extrahiert werden. Vorteilhafterweise wird durch die F-Theta-Anordnung in Figur 11 ein größerer Winkelbereich des Streulichtes 3 vom Lichtfeld 1 erfasst als durch das Mul- tiprisma 37, das nur Streulicht 3 in maximal einem Halbraum von 180° oder weniger abbildet (Figur 12) . Des Weiteren kann mit der F-Theta-Anordnung ebenfalls eine objektseitig tele- zentrische Abbildung realisiert werden. The curved reflector portions 31 have an effect such as a field lens (or a field mirror) provided in object-side telecentric lenses between the object and the camera. In particular, telecentric here means that there are no distance-related magnification changes. The internal aperture for the purpose of enforcing telecentricity which is typical for telecentric objectives is not shown in FIG. The advantages of the arrangement of the curved reflector sections 31 as field mirrors consist first of all in the high numerical aperture of the imaging optics formed by the reflector sections 31 and the increased light intensity and secondly in the telecentric effect on the side of the light field 1 to be measured. Advantageously, this allows a smaller distance-dependent distortion in comparison with simpler arrangements with plane mirrors or with multi-camera arrangements according to FIG. 3. The object-side telecentric imaging of the scattered light 3 can, by design, result in a reduction of the light intensity. In order to compensate for this, the arrangement of the reflector sections 31 according to FIG. 9 can be modified such that a compromise is achieved on the one hand with sufficiently high light collecting capacity and sufficient depth of field and on the other hand with sufficient telecentricity. According to a further modification of the embodiment of Figure 9, the reflector sections 31 could be replaced by an axicon reflector with elliptical curvature. Embodiments of the invention in which the deflection device 30 comprises dioptric elements, in particular lenses 35, 36 and / or prisms 37, are illustrated in FIGS. 11 and 12. Figure 11 shows the deflection device 30 with two lenses 35, 36, the z. B. made of quartz glass and together with the lens of the detector camera 11 form an F-theta arrangement. Similar to the axicon reflector, the lenses 35, 36 provide a continuous image containing scattered light 3 from all detected side angles side by side, and the individual scattered tomographic reconstruction tomograms are computationally extracted from the continuous image. Advantageously, a larger angular range of the scattered light 3 is detected by the light field 1 by the F-theta arrangement in FIG. 11 than by the multiprism 37, which only images scattered light 3 in a maximum of a half-space of 180 ° or less (FIG. 12). Furthermore, an object-side telecentric image can also be realized with the F-theta arrangement.
Gemäß Figur 12 ist die Ablenkeinrichtung 30 mit einem Mul- tiprisma 37 z. B. aus Quarzglas gezeigt, das zur Abbildung von fünf Seitenwinkeln (Perspektiven) geformt ist. Die Anordnung gemäß Figur 12 kann von Vorteil sein, wenn die Strah- lungsfeld-Messeinrichtung, z.B. aus Platzgründen, nur einseitig neben dem zu untersuchenden Lichtfeld 1 angeordnet sein soll . According to FIG. 12, the deflection device 30 is provided with a multi-prism 37 z. B. of quartz glass, which is shaped to image five side angles (perspectives). The arrangement according to FIG. 12 can be advantageous if the radiation field measuring device, e.g. for reasons of space, should be arranged only on one side next to the light field 1 to be examined.
Die Figuren 13 und 14 illustrieren weitere Ausführungsformen der Erfindung, bei denen die Ablenkeinrichtung 30 dioptrische Elemente in Gestalt eines einfachen Prismas 38 oder eines Multiprismas 39, die z. B. aus Quarzglas hergestellt sind, umfasst. Streulicht 3 vom Lichtfeld 1 wird über das Prisma 38 oder das Multiprisma 39 zur Detektorkamera 11 gelenkt, deren Bildsignal zur Rekonstruktionseinrichtung (nicht dargestellt) geliefert wird. Diese Ausführungsformen haben Vorteile aufgrund der einfachen Struktur der Ablenkeinrichtung 30. Die Zerstörschwelle eines optischen Elements hängt vom Material des optischen Elements ab und beträgt bei Quarzglas für kontinuierliches Laserlicht z.B. 1 MW/cm2 oder für gepulstes Laserlicht (10 ns Pulsdauer, Laserintensität bei 1064nm: Figures 13 and 14 illustrate further embodiments of the invention, in which the deflector 30 dioptric elements in the form of a simple prism 38 or a Multiprismas 39, the z. B. made of quartz glass, comprises. Stray light 3 from the light field 1 is directed via the prism 38 or the Multiprisma 39 to the detector camera 11, whose Image signal to the reconstruction device (not shown) is supplied. These embodiments have advantages due to the simple structure of the deflector 30. The damage threshold of an optical element depends on the material of the optical element and is for quartz glass for continuous laser light, for example 1 MW / cm 2 or for pulsed laser light (10 ns pulse duration, laser intensity at 1064 nm:
20J/cm2, Pulsfolgefrequenz 100 Hz.) z.B. 1 bis 5 GW/cm2. Wenn die Felddichte des untersuchten Lichtfeldes 1 unterhalb der Zerstörschwelle optischer Elemente, insbesondere von Glas, liegt, kann die in Figur 15 gezeigte Strahldreheinrichtung 40 mit einem drehbaren Dove-Prisma 41 (oder mit drehbaren Spiegeln, nicht dargestellt) vorgesehen sein, um mit der Detek- torkamera 11 Streulicht 3 entsprechend verschiedenen Seitenrichtungen zu erfassen. Mit dem drehbar gelagerten Dove- Prisma 41 kann das mit der Laserquelle 210 erzeugte Lichtfeld 1 um die Longitudinalrichtung z gedreht werden, wobei für jeden eingestellten Drehwinkel eine Bildaufnahme erfolgt. Des Weiteren ist ein Hintergrundschirm 17 vorgesehen, der z. B. eine geschwärzte Metall- oder Kunststoffplatte umfasst und einen dunklen Hintergrund für das Kamerabild hinter dem 20J / cm 2 , pulse repetition frequency 100 Hz.) Eg 1 to 5 GW / cm 2 . If the field density of the examined light field 1 is below the damage threshold of optical elements, in particular of glass, the beam rotator 40 shown in FIG. 15 can be provided with a rotatable dove prism 41 (or with rotatable mirrors, not shown) to communicate with the detector - Torkamera 11 scattered light 3 corresponding to different lateral directions to capture. With the rotatably mounted dove prism 41, the light field 1 generated by the laser source 210 can be rotated about the longitudinal direction z, wherein an image is taken for each set rotational angle. Furthermore, a background screen 17 is provided, the z. B. includes a blackened metal or plastic plate and a dark background for the camera image behind the
Lichtfeld 1 bildet, welcher weitestgehend Reflektionen des auf ihn eintreffenden Streulichtes unterbindet. Light field 1 forms, which largely prevents reflections of the incoming light scattered light.
Vorteilhafterweise ändert das Dove-Prisma 41 die Strahlrichtung nicht, sondern rotiert selbst um die Strahlachse z um einen Winkel. Das seitlich austretende Lichtfeld 1 rotiert dabei um den doppelten Winkel. Um das Lichtfeld 1 um 360° ro- tieren zu lassen, wird das Dove-Prisma 41 um 180° gedreht.Advantageously, the dove prism 41 does not change the beam direction, but rotates itself about the beam axis z by an angle. The laterally emerging light field 1 rotates at twice the angle. In order to rotate the light field 1 by 360 °, the dove prism 41 is rotated by 180 °.
Dabei kann die Detektorkamera 11 Streulicht-Bilder mit einer frei wählbaren Anzahl von Perspektiven des Lichtfeldes 1 aufnehmen. Vorteilhafterweise bleibt bei dieser Messgeometrie der Hintergrund für alle Seitenrichtungen konstant. Figur 16 illustriert schematisch die Schritte des Verfahrens zur Charakterisierung eines Lichtfeldes 1, das ein Medium 2 durchläuft. Im Medium 2 erfolgt die Erzeugung von Streulicht durch Rayleigh-Streuung des Lichtfeldes 1 an Atomen oder Mo¬ lekülen des Mediums 2. Die Intensität der Rayleigh-Streuung I R ergibt sich gemäß In this case, the detector camera 11 can record scattered light images with a freely selectable number of perspectives of the light field 1. Advantageously, the background remains constant for all lateral directions in this measurement geometry. FIG. 16 schematically illustrates the steps of the method for characterizing a light field 1 that passes through a medium 2. In the medium 2, the generation of scattered light by Rayleigh scattering of the light field 1 takes place at atoms or Mo ¬ molecules of the medium 2. The intensity of the Rayleigh scattering IR results according to
I R = Io (k/λ4) (1 + cos2©) aus der Intensität der Lichtfeldes Io, einer Konstante k, der Wellenlänge λ und dem Winkel Θ relativ zur Longitudinalrich- tung des Lichtfeldes. Entsprechend kann neben der Gewinnung einer Information über die Intensität der Lichtfeldes Io auch die Wellenlängenabhängigkeit des Streulichts ausgenutzt werden, um das Lichtfeld 1 zu charakterisieren. Streulicht- Bilder des erzeugten Streulichts werden mit verschiedenen Seitenwinkeln relativ zur Longitudinalrichtung des Lichtfeldes aufgenommen. Die Streulicht-Bilder liefern Projektionen des vom Lichtfeld 1 erzeugten Streulichts, die der tomographische Rekonstruktion unterzogen werden. Im Ergebnis wird die 2D- oder 3D-Felddichte des Streulichts im Lichtfeld 1 berechnet, gefolgt von einer Analyse zur Ermittlung von Eigenschaften des Lichtfeldes, wie z. B. des Strahlprofils oder der Form der Wellenfront. IR = Io (k / λ 4 ) (1 + cos 2 ©) from the intensity of the light field Io, a constant k, the wavelength λ and the angle Θ relative to the longitudinal direction of the light field. Accordingly, in addition to obtaining information about the intensity of the light field Io, the wavelength dependence of the scattered light can also be exploited in order to characterize the light field 1. Stray light images of the generated scattered light are recorded at different side angles relative to the longitudinal direction of the light field. The scattered light images provide projections of the scattered light generated by the light field 1, which undergo the tomographic reconstruction. As a result, the 2D or 3D field density of the scattered light in the light field 1 is calculated, followed by an analysis for determining characteristics of the light field, such as the light field. B. the beam profile or the shape of the wavefront.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination oder in Unterkombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features of the invention disclosed in the foregoing description, drawings and claims may be significant to the realization of the invention in its various forms both individually and in combination or in sub-combination.

Claims

Ansprüche 1. Strahlungsfeld-Messeinrichtung (100), die zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes (1) konfiguriert ist, das ein Medium (2) in einer Longitudinalrichtung (z) durchläuft, umfassend :  Claims 1. A radiation field measuring device (100) configured to characterize a radiation field (1) passing through a medium (2) in a longitudinal direction (z), comprising:
- eine Detektoreinrichtung (10) mit mindestens einer Detek- torkamera (11), die mindestens ein Detektorarray (12) enthält, das zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) angeordnet ist, die im Medium durch das Strahlungsfeld (1) erzeugt wird und in eine Vielzahl von Seitenrichtungen gerichtet ist, die von der Longitudinalrichtung (z) abweichen, und  a detector device (10) with at least one detector camera (11) which contains at least one detector array (12) which is arranged to record scattered radiation (3) which is generated in the medium by the radiation field (1) and into one Variety of lateral directions is directed, which deviate from the longitudinal direction (z), and
- eine Rekonstruktionseinrichtung (20) , die zur Charakterisierung des Strahlungsfeldes (1), basierend auf Bildsignalen der Detektoreinrichtung (10) , eingerichtet ist, a reconstruction device (20) which is set up to characterize the radiation field (1) based on image signals of the detector device (10),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Re- konstruktion einer Felddichte der Streustrahlung (3) im  - The reconstruction device (20) for the tomographic reconstruction of a field density of the scattered radiation (3) in
Strahlungsfeld (1) eingerichtet ist.  Radiation field (1) is set up.
2. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der 2. Radiation field measuring device according to claim 1, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur nicht-analytischen, insbesondere statistischen oder algebraischen, tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) eingerichtet ist. - The reconstruction device (20) for non-analytical, in particular statistical or algebraic, tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation (3) is set up.
3. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der 3. Radiation field measuring device according to claim 2, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) mittels eines iterativen Algorithmus eingerichtet ist. - The reconstruction device (20) for tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation (3) is set up by means of an iterative algorithm.
4. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der 4. Radiation field measuring device according to claim 2 or 3, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur statistischen tomo- graphischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung - The reconstruction device (20) for the statistical tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation
(3) eingerichtet ist, wobei (3) is set up, wherein
- die statistische tomographische Rekonstruktion auf einem statistischen Modell mit einem zu minimierenden Zielfunktional basiert, dessen tomographischer Daten-Mismatch-Term die Rauschcharakteristik der Messdaten berücksichtigt.  the statistical tomographic reconstruction is based on a statistical model with a target function to be minimized, whose tomographic data mismatch term takes into account the noise characteristic of the measurement data.
5. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 4, bei der 5. Radiation field measuring device according to claim 4, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur statistischen tomo- graphischen Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung - The reconstruction device (20) for the statistical tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation
(3) basierend auf dem zu minimierenden Zielfunktional eingerichtet ist, das einen Lp-Norm-Term mit (0 ^ p < 2) und/oder einen Bayes-artigen Regularisierungsterm enthält. (3) is set up based on the target function to be minimized, which contains an Lp norm term with (0 ^ p <2) and / or a Bayesian regularization term.
6. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 6. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- das mindestens eine Detektorarray (12) zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart angeordnet ist, dass die Seitenwinkel solcherart verteilt sind, dass die senkrecht zur Longitu- dinalrichtung (z) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) einen Messbereich von 180° bis 360° aufspannen .  - The at least one detector array (12) for image recording of scattered radiation (3) is arranged such that the side angles are distributed such that the perpendicular to the longitudinal direction (z) extending components of the recorded scattered radiation (3) has a measuring range of 180 ° to Span 360 °.
7. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 6, bei der 7. Radiation field measuring device according to claim 6, wherein
- das mindestens eine Detektorarray (12) zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart angeordnet ist, dass die senkrecht zur Longitudinalrichtung (z) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) bei einer geraden Anzahl von Seitenrichtungen und einem Messbereich über 360° ungleichmäßig verteilt, ansonsten gleichmäßig verteilt angeordnet sind. - The at least one detector array (12) for image recording of scattered radiation (3) is arranged such that the perpendicular to the longitudinal direction (z) extending components of the recorded scattered radiation (3) with an even number of Side directions and a measuring range over 360 ° unevenly distributed, otherwise evenly distributed.
8. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei der 8. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, in which
- die Detektoreinrichtung (10) zur Bildaufnahme von  - The detector device (10) for image acquisition of
Streustrahlung (3) in mindestens 2 Seitenrichtungen, insbe¬ sondere mindestens 3 Seitenrichtungen, konfiguriert ist. Scattered radiation (3) in at least 2 lateral directions, in particular ¬ special at least 3 lateral directions, is configured.
9. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 9. radiation field measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- die Detektoreinrichtung (10) zur Bildaufnahme von  - The detector device (10) for image acquisition of
Streustrahlung (3) in Radialrichtungen angeordnet ist. Scatter radiation (3) is arranged in radial directions.
10. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 10. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- die Detektoreinrichtung (10) für eine spektral selektive Bildaufnahme der Streustrahlung (3) konfiguriert ist.  - The detector device (10) for a spectrally selective image recording of the scattered radiation (3) is configured.
11. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 11. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Rekonstruktion eines Schicht-Ausschnitts der Felddichte der Streustrahlung (3) eingerichtet ist, der in eine zweidimensi- onale Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes (1) überführbar ist.  - The reconstruction device (20) for tomographic reconstruction of a slice section of the field density of the scattered radiation (3) is arranged, which in a two-dimensional intensity distribution of the radiation field (1) can be converted.
12. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 11, bei der 12. Radiation field measuring device according to claim 11, wherein
- die Detektoreinrichtung (10) Linien-Detektorarrays (12) um- fasst . - The detector device (10) line detector arrays (12) summarizes.
13. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der 13. Radiation field measuring device according to one of claims 1 to 10, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) zur tomographischen Re¬ konstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) in einem dreidimensionalen Volumen-Ausschnitt, der mindestens zwei, aneinander gereihte Schicht-Ausschnitte umfasst, eingerichtet ist . - The reconstruction device (20) for tomographic re ¬ construction of the field density of the scattered radiation (3) in a three-dimensional volume cutout, which comprises at least two, juxtaposed layer cutouts is set up.
14. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 13, bei der 14. Radiation field measuring device according to claim 13, wherein
- die Detektoreinrichtung (10) Flächen-Detektorarrays (12) umfasst .  - The detector device (10) area detector arrays (12).
15. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei der 15. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, in which
- die Detektoreinrichtung (10) mehrere Detektorkameras (11) jeweils mit mindestens einem Detektorarray (12) umfasst.  - The detector device (10) comprises a plurality of detector cameras (11) each having at least one detector array (12).
16. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprü- che 1 bis 14, bei der 16. Radiation field measuring device according to one of claims 1 to 14, in which
- die Detektoreinrichtung (10) eine einzige Detektorkamera (11) umfasst, die eine Vielzahl von Detektorarrays (12) enthält, die jeweils zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) in einer der Seitenrichtungen angeordnet sind.  - The detector device (10) comprises a single detector camera (11), which contains a plurality of detector arrays (12) which are each arranged for image recording of scattered radiation (3) in one of the lateral directions.
17. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, bei der 17. Radiation field measuring device according to one of claims 15 or 16, wherein
- eine Ablenkeinrichtung (30) vorgesehen ist, die zur Ablenkung der Streustrahlung (3) entlang der Vielzahl von Seiten- richtungen auf die mindestens eine Detektorkamera (11) angeordnet ist. - A deflection device (30) is provided, which is arranged for the deflection of the scattered radiation (3) along the plurality of side directions on the at least one detector camera (11).
18. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 17, bei der 18. Radiation field measuring device according to claim 17, wherein
- die Ablenkeinrichtung (30) mindestens ein katoptrisches Element (31, 32, 33) und/oder mindestens ein dioptrisches Element (35) umfasst.  - The deflection device (30) comprises at least one catoptric element (31, 32, 33) and / or at least one dioptric element (35).
19. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 18, bei der 19. A radiation field measuring device according to claim 18, wherein
- das mindestens eine katoptrische Element mehrere Reflektor- abschnitte (31, 33) umfasst, die jeweils zur Ablenkung der - The at least one catoptric element comprises a plurality of reflector sections (31, 33), each for deflecting the
Streustrahlung (3) entlang einer der Seitenrichtungen hin zu einem der Detektorarrays (12) angeordnet sind. Scattered radiation (3) along one of the side directions towards one of the detector arrays (12) are arranged.
20. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 19, bei der 20. Radiation field measuring device according to claim 19, wherein
- die Detektoreinrichtung (10) eine einzige Detektorkamera (11) umfasst, und  - The detector device (10) comprises a single detector camera (11), and
- das mindestens eine katoptrische Element einen Sammelreflektor (32) umfasst, der zur Ablenkung der Streustrahlung (3) von den Reflektorabschnitten (31, 33) zu der Detektorkamera (11) angeordnet ist.  - The at least one catoptric element comprises a collecting reflector (32) arranged to deflect the scattered radiation (3) from the reflector sections (31, 33) to the detector camera (11).
21. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 19 oder 20, bei der 21. Radiation field measuring device according to claim 19 or 20, wherein
- die Reflektorabschnitte einzelne Spiegel (31) oder einen- The reflector sections individual mirror (31) or one
Axicon-Reflektor (33) umfassen, der axialsymmetrisch zur Lon- gitudinalrichtung (z) angeordnet ist. Axicon reflector (33) comprise, which is arranged axially symmetrical to the longitudinal direction (z).
22. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, umfassend 22. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, comprising
- eine Strahldreheinrichtung (40) mit einem drehbaren Prisma, insbesondere Dove-Prisma (41), und/oder Spiegel, die zur Drehung des Strahlungsfeldes (1) um die Longitudinalrichtung (z) eingerichtet ist, wobei - die Detektoreinrichtung (10) eine einzige Detektorkamera (11) umfasst, die zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) angeordnet ist, und - A beam rotator (40) with a rotatable prism, in particular Dove prism (41), and / or mirror, which is arranged for rotation of the radiation field (1) about the longitudinal direction (z), wherein - The detector device (10) comprises a single detector camera (11), which is arranged for image recording of scattered radiation (3), and
- zur Bildaufnahme von Streustrahlung (3) in der Vielzahl von Seitenrichtungen das Strahlungsfeld (1) mit der Strahldre¬ heinrichtung in verschiedene Drehpositionen relativ zur Detektorkamera (11) drehbar ist. - For image recording of scattered radiation (3) in the plurality of side directions, the radiation field (1) with the Strahldre ¬ heinrichtung in different rotational positions relative to the detector camera (11) is rotatable.
23. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorher- gehenden Ansprüche, bei der 23. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, in which
- eine Analysatoreinrichtung (21) vorgesehen ist, die zur Ermittlung von mindestens einem Strahlparameter des Strahlungsfeldes (1), basierend auf der Felddichte der Streustrahlung (3), eingerichtet ist.  - An analyzer device (21) is provided, which is adapted to determine at least one beam parameter of the radiation field (1), based on the field density of the scattered radiation (3).
24. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 23, bei der 24. Radiation field measuring device according to claim 23, wherein
- die Analysatoreinrichtung (21) zur Ermittlung von mindestens einem der Strahlparameter eingerichtet ist, die umfassen  - The analyzer device (21) is arranged to determine at least one of the beam parameters, which include
Pulsenergie oder Pulsenergiedichte des Strahlungsfeldes (1) bei einem gepulsten Strahlungsfeld (1),  Pulse energy or pulse energy density of the radiation field (1) in the case of a pulsed radiation field (1),
Felddichte des Strahlungsfeldes (1) bei einem kontinuierlichen Strahlungsfeld (1),  Field density of the radiation field (1) in a continuous radiation field (1),
geometrische Eigenschaften des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und/oder Strahlform,  geometric properties of the radiation field (1), in particular beam diameter, divergence angle and / or beam shape,
Eigenschaften der Strahltaille des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Radius, Position entlang der Longitudinal- richtung (z), und/oder Form des Fokus in transaxialer  Properties of the beam waist of the radiation field (1), in particular radius, position along the longitudinal direction (z), and / or shape of the focus in transaxial
Schnittführung, Cut,
räumliche Lage des Strahlungsfeldes (1) im Medium (2), Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes (1),  spatial position of the radiation field (1) in the medium (2), coherence properties of the radiation field (1),
Wellenfronten des Strahlungsfeldes (1) ,  Wave fronts of the radiation field (1),
Rayleigh-Längen des Strahlungsfeldes (1) , und Beugungsmaßzahlen, M2 und Strahlpropagationsfaktoren k des Strahlungsfeldes (1). Rayleigh lengths of the radiation field (1), and Diffraction indices, M 2 and beam propagation factors k of the radiation field (1).
25. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 23 oder 24, bei der 25. Radiation field measuring device according to claim 23 or 24, wherein
- die Analysatoreinrichtung (21) für eine zeitlich fortlaufende Ermittlung des mindestens einen Strahlparameters und seiner zeitlichen Stabilität eingerichtet ist.  - The analyzer device (21) is set up for a temporally continuous determination of the at least one beam parameter and its temporal stability.
26. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 24 oder 25, bei der 26. A radiation field measuring device according to claim 24 or 25, wherein
- die Analysatoreinrichtung (21) zur Berechnung einer Strahl- propagation, insbesondere mittels einer Wellenfrontanalyse , eingerichtet ist.  - The analyzer device (21) for calculating a beam propagation, in particular by means of a wavefront analysis, is set up.
27. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 26, bei der 27. Radiation field measuring device according to claim 26, wherein
- die Analysatoreinrichtung (21) zur Berechnung einer Fokusposition des Strahlungsfeldes (1) eingerichtet ist.  - The analyzer device (21) for calculating a focus position of the radiation field (1) is set up.
28. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 28. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- eine Partikelentfernungseinrichtung (50) vorgesehen ist, die zur Bereitstellung des Mediums (2) in der Strahlungsfeld- Messeinrichtung (100) in einem partikelfreien Zustand eingerichtet ist.  - A particle removal device (50) is provided which is adapted to provide the medium (2) in the radiation field measuring device (100) in a particle-free state.
29. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß Anspruch 28, bei der 29. Radiation field measuring device according to claim 28, wherein
- die Partikelentfernungseinrichtung (50) mindestens eines von einem elektrostatischen Filter, einem mechanischem Filter und einer Spülgasque.lle umfasst. - The particle removal device (50) comprises at least one of an electrostatic filter, a mechanical filter and a Spülgasque.lle.
30. Strahlungsfeld-Messeinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der 30. Radiation field measuring device according to one of the preceding claims, wherein
- die Detektoreinrichtung (10) für eine Bildaufnahme der Streustrahlung (3) mit einer Wellenlänge im Röntgen-, UV-, VIS-, NIR-, IR- oder Mikrowellen-Bereich eingerichtet ist.  - The detector device (10) for imaging the scattered radiation (3) having a wavelength in the X-ray, UV, VIS, NIR, IR or microwave range is set up.
31. Verwendung der Strahlungsfeld-Messeinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 31. Use of the radiation field measuring device (100) according to one of the preceding claims
- bei der Überwachung und/oder Steuerung strahlungsbasierter Prozesse, insbesondere bei der Steuerung eines Fokus des in the monitoring and / or control of radiation-based processes, in particular in the control of a focus of
Strahlungsfeldes (1), Erfassung einer zeitlichen Drift eines Intensitätsprofils des Strahlungsfeldes (1), Charakterisierung des Strahlungsfeldes von Hochenergielasern, lasergestützten Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken, Fertigung in der Halbleitertechnik, oder Therapie und/oder Chirurgie mittels Laser-Strahlung. Radiation field (1), detection of a temporal drift of an intensity profile of the radiation field (1), characterization of the radiation field of high-energy lasers, laser-assisted material processing in cutting and joining techniques, manufacturing in semiconductor technology, or therapy and / or surgery by means of laser radiation.
32. Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlungsfeldes (1), das ein Medium (2) in einer Longitudinalrichtung (z) durchläuft, unter Verwendung einer Strahlungsfeld- Messeinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, umfassend die Schritte: 32. A method for characterizing a radiation field (1), which passes through a medium (2) in a longitudinal direction (z), using a radiation field measuring device (100) according to one of claims 1 to 30, comprising the steps:
- Bildaufnahme von Streustrahlung (3), die im Medium (2) durch das Strahlungsfeld (1) erzeugt wird und in eine Viel- zahl von Seitenrichtungen gerichtet ist, die von der Longitudinalrichtung (z) abweichen, mittels der Detektoreinrichtung (10), und  - Image recording of scattered radiation (3), which is generated in the medium (2) by the radiation field (1) and is directed in a plurality of lateral directions, which deviate from the longitudinal direction (z), by means of the detector means (10), and
- Charakterisierung des Strahlungsfeldes (1) mit der Rekonstruktionseinrichtung (20) unter Verwendung von Bildsignalen der Detektoreinrichtung (10), wobei  - Characterization of the radiation field (1) with the reconstruction device (20) using image signals of the detector device (10), wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) eine tomographische Rekonstruktion einer Felddichte der Streustrahlung (3) im  the reconstruction device (20) has a tomographic reconstruction of a field density of the scattered radiation (3) in
Strahlungsfeld (1) ausführt. Radiation field (1) executes.
33. Verfahren gemäß Anspruch 32, bei dem 33. The method according to claim 32, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) eine nicht-analytische, insbesondere statistische oder algebraische, tomographische Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) aus- führt.  - The reconstruction device (20) carries out a non-analytical, in particular statistical or algebraic, tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation (3).
34. Verfahren gemäß Anspruch 33, bei dem 34. The method according to claim 33, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) die tomographische Re¬ konstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) mittels eines iterativen Algorithmus ausführt. - The reconstruction device (20) performs the tomographic Re ¬ construction of the field density of the scattered radiation (3) by means of an iterative algorithm.
35. Verfahren gemäß Anspruch 33 oder 34, bei dem 35. The method according to claim 33 or 34, wherein
- die Rekonstruktionseinrichtung (20) eine statistische tomographische Rekonstruktion der Felddichte der Streustrahlung (3) ausführt, wobei  - The reconstruction device (20) performs a statistical tomographic reconstruction of the field density of the scattered radiation (3), wherein
- die statistische tomographische Rekonstruktion auf einem statistischen Modell mit einem zu minimierenden Zielfunktional basiert, dessen tomographischer Daten-Mismatch-Term die Rauschcharakteristik der Messdaten berücksichtigt.  the statistical tomographic reconstruction is based on a statistical model with a target function to be minimized, whose tomographic data mismatch term takes into account the noise characteristic of the measurement data.
36. Verfahren gemäß Anspruch 35, bei dem 36. The method according to claim 35, wherein
- das Zielfunktional einen Lp-Norm-Term mit (0 ^ p < 2) und/oder einen Bayes-artigen Regularisierungsterm enthält.  - The objective functional contains an Lp norm term with (0 ^ p <2) and / or a Bayesian regularization term.
37. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 36, bei dem37. The method according to any one of claims 32 to 36, wherein
- die Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart erfolgt, dass die Seitenwinkel solcherart verteilt sind, dass die senkrecht zur Longitudinalrichtung ( z ) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) einen Messbereich von 180° bis 360° aufspannen. - The image of scattered radiation (3) is such that the side angles are distributed such that the perpendicular to the longitudinal direction (z) extending components of the recorded scattered radiation (3) span a measuring range of 180 ° to 360 °.
38. Verfahren gemäß Anspruch 37, bei dem 38. The method according to claim 37, wherein
- die Bildaufnahme von Streustrahlung (3) derart erfolgt, dass die senkrecht zur Longitudinalrichtung (z) verlaufenden Komponenten der aufgenommenen Streustrahlung (3) bei einer geraden Anzahl von Seitenrichtungen und einem Messbereich über 360° ungleichmäßig verteilt, ansonsten gleichmäßig ver¬ teilt angeordnet sind. - The image of scattered radiation (3) is such that the perpendicular to the longitudinal direction (z) extending Components of the recorded scattered radiation (3) with an even number of lateral directions and a measuring range over 360 ° unevenly distributed, otherwise evenly distributed ver ¬ are arranged.
39. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 38, bei dem die Bildaufnahme von Streustrahlung (3) in mindestens 239. The method according to any one of claims 32 to 38, wherein the image recording of scattered radiation (3) in at least 2
Seitenrichtungen, insbesondere mindestens 3 Seitenrichtungen erfolgt, und/oder Side directions, in particular at least 3 lateral directions takes place, and / or
- die Bildaufnahme spektral selektiv erfolgt. - The image is spectrally selective.
40. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 39, bei dem40. The method according to any one of claims 32 to 39, wherein
- die Felddichte der Streustrahlung (3) unter Berücksichtigung eines Beleuchtungshintergrundes des Strahlungsfeldes (1) im Vorwärts- und Rückwärtsproj ektionsprozess der tomographischen Rekonstruktion rekonstruiert wird. - The field density of the scattered radiation (3) is reconstructed taking into account a lighting background of the radiation field (1) in the forward and Rückwärtproj ektionsprozess the tomographic reconstruction.
41. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 40, mit den Schritten 41. The method according to any one of claims 32 to 40, comprising the steps
- tomographische Rekonstruktion eines Schicht-Ausschnitts der Felddichte der Streustrahlung (3), und - Tomographic reconstruction of a slice section of the field density of the scattered radiation (3), and
- Überführung der Felddichte der Streustrahlung (3) in eine zweidimensionale Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes (1) ·  - conversion of the field density of the scattered radiation (3) into a two-dimensional intensity distribution of the radiation field (1)
42. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 40, mit dem Schritt 42. The method according to any one of claims 32 to 40, with the step
- tomographische Rekonstruktion einer Felddichte der  tomographic reconstruction of a field density of
Streustrahlung (3) in einem dreidimensionalen Volumen- Ausschnitt, der mindestens zwei aneinander gereihte Schicht- Ausschnitte umfasst. Scattered radiation (3) in a three-dimensional volume cutout, which comprises at least two layered cutouts arranged one next to the other.
43. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 42, mit dem Schritt 43. The method according to any one of claims 32 to 42, with the step
- Ablenkung der Streustrahlung (3) entlang der Vielzahl von Seitenrichtungen mit der Ablenkeinrichtung (30) auf die min- destens eine Detektorkamera (11).  - Distraction of the scattered radiation (3) along the plurality of lateral directions with the deflector (30) on the at least one detector camera (11).
44. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 43, mit den Schritten 44. The method according to any one of claims 32 to 43, comprising the steps
- Drehung des Strahlungsfeldes (1) um die Longitudinalrich- tung (z) mit der Strahldreheinrichtung, und  Rotation of the radiation field (1) about the longitudinal direction (z) with the beam turning device, and
- Bildaufnahme der Streustrahlung (3) mit einer einzigen Detektorkamera (11), wobei  - Image of the scattered radiation (3) with a single detector camera (11), wherein
- zur Bildaufnahme der Streustrahlung (3) in der Vielzahl von Seitenrichtungen des Strahlungsfeldes (1) mit der Strahldreh- einrichtung in verschiedene Drehpositionen relativ zur Detektorkamera (11) gedreht wird.  - For image recording of the scattered radiation (3) in the plurality of lateral directions of the radiation field (1) with the Strahldreh- device in different rotational positions relative to the detector camera (11) is rotated.
45. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 44, mit dem Schritt 45. The method according to any one of claims 32 to 44, with the step
- Erfassung einer Intensitätsverteilung des Strahlungsfeldes (1), basierend auf der rekonstruierten Felddichte der Detecting an intensity distribution of the radiation field (1), based on the reconstructed field density of
Streustrahlung (3) . Scattered radiation (3).
46. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 45, mit dem Schritt Erfassung von mindestens einem der Strahlparameter, die umfassen 46. The method of claim 32, further comprising the step of detecting at least one of the beam parameters that comprise
Pulsenergie oder Pulsenergiedichte des Strahlungsfeldes (1) bei gepulstem Strahlungsfeld (1) ,  Pulse energy or pulse energy density of the radiation field (1) in the case of a pulsed radiation field (1),
Felddichte des Strahlungsfeldes (1) bei kontinuierli- chem Strahlungsfeld (1),  Field density of the radiation field (1) in the case of a continuous radiation field (1),
geometrische Eigenschaften des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Strahldurchmesser, Divergenzwinkel und/oder Strahlform, Eigenschaften der Strahltaille des Strahlungsfeldes (1), insbesondere Radius, Position entlang der Longitudinal- richtung (z), und/oder Form des Fokus in transaxialer geometric properties of the radiation field (1), in particular beam diameter, divergence angle and / or beam shape, Properties of the beam waist of the radiation field (1), in particular radius, position along the longitudinal direction (z), and / or shape of the focus in transaxial
Schnittführung, Cut,
räumliche Lage des Strahlungsfeldes (1) im Medium (2), spatial position of the radiation field (1) in the medium (2),
Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes (1), Coherence properties of the radiation field (1),
Wellenfronten des Strahlungsfeldes (1),  Wave fronts of the radiation field (1),
Rayleigh-Längen des Strahlungsfeldes (1), und  Rayleigh lengths of the radiation field (1), and
Beugungsmaßzahlen, M2 und Strahlpropagationsfaktoren k des Strahlungsfeldes (1). Diffraction indices, M 2 and beam propagation factors k of the radiation field (1).
47. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 45 bis 46, bei dem47. The method according to any one of claims 45 to 46, wherein
- eine zeitlich fortlaufende Erfassung des mindestens einen Strahlparameters und seiner zeitlichen Stabilität vorgesehen sind. - A temporally continuous detection of the at least one beam parameter and its temporal stability are provided.
48. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 45 bis 47, mit dem Schritt 48. The method according to any one of claims 45 to 47, with the step
- Berechnung einer Strahlpropagation, insbesondere mittels einer Wellenfrontanalyse .  - Calculation of a beam propagation, in particular by means of a wavefront analysis.
49. Verfahren gemäß Anspruch 48, mit dem Schritt 49. The method according to claim 48, comprising the step
- Berechnung einer Fokusposition des Strahlungsfeldes (1).  - Calculation of a focus position of the radiation field (1).
50. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 49, bei dem50. The method according to any one of claims 32 to 49, wherein
- die Felddichte der Streustrahlung (3) unter Berücksichtigung von Partikeln im Medium rekonstruiert wird, welche ohne diese Berücksichtigung zu Artefakten der rekonstruierten Felddichte führen würden. - The field density of the scattered radiation (3) is reconstructed taking into account particles in the medium, which would lead to artefacts of the reconstructed field density without this consideration.
51. Verfahren gemäß Anspruch 50, bei dem 51. The method according to claim 50, wherein
- eine Serien-Bildaufnahme vorgesehen ist, die mehrere Bildaufnahmen in Folge umfasst, und - Artefakt-trächtige Streuereignisse, die von Partikeln im Medium herrühren, durch eine Analyse der Serien-Bildaufnahme eliminiert werden. - A series image recording is provided, which includes several images in sequence, and Artifact-prone scattering events resulting from particles in the medium are eliminated by analysis of the serial image acquisition.
52. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 51, mit dem Schritt 52. The method according to any one of claims 32 to 51, with the step
- Bereitstellung des Mediums (2) in der Strahlungsfeld- Messeinrichtung in einem partikelfreien Zustand.  - Providing the medium (2) in the radiation field measuring device in a particle-free state.
53. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 52, mit dem Schritt 53. The method according to any one of claims 32 to 52, with the step
- Erfassung einer volumetrischen Partikelverteilung im Strahlungsfeld ( 1 ) .  - Detection of a volumetric particle distribution in the radiation field (1).
54. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 32 bis 52, mit den Schritten 54. The method according to any one of claims 32 to 52, comprising the steps
- Überwachung und/oder Steuerung einer Strahlungsquelle, mit der das Strahlungsfeld (1) erzeugt wird.  - Monitoring and / or control of a radiation source with which the radiation field (1) is generated.
55. Verfahren gemäß Anspruch 54, bei dem 55. The method according to claim 54, wherein
- die Strahlungsquelle bei der lasergestützten Materialbearbeitung in Schneid- und Fügetechniken oder der Fertigung in der Halbleitertechnik oder der Therapie und/oder Chirurgie mittels Laser-Strahlung verwendet wird.  - The radiation source is used in laser-assisted material processing in cutting and joining techniques or manufacturing in semiconductor technology or therapy and / or surgery by means of laser radiation.
56. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 54 bis 55, bei dem56. The method according to any one of claims 54 to 55, wherein
- die Strahlungsquelle eine Stelleinrichtung enthält, mit der Strahlparameter des Strahlungsfeldes (1) veränderlich sind, wobei - The radiation source includes an adjusting device, with the beam parameters of the radiation field (1) are variable, wherein
- die Stelleinrichtung in Abhängigkeit von einem Intensitätsprofil des Strahlungsfeldes (1) entlang der Longitudinalrich- tung (z), insbesondere im Fokus des Strahlungsfeldes (1), gesteuert wird. - The adjusting device in response to an intensity profile of the radiation field (1) along the longitudinal direction (z), in particular in the focus of the radiation field (1) is controlled.
57. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 54 bis 56, bei dem57. The method according to any one of claims 54 to 56, wherein
- die Strahlungsquelle eine Fokussiereinrichtung enthält, und- The radiation source includes a focusing device, and
- die Fokussiereinrichtung in Abhängigkeit von der Position des Fokus entlang der Longitudinalrichtung (z) gesteuert wird. - The focusing device is controlled in dependence on the position of the focus along the longitudinal direction (z).
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