WO2024023315A1

WO2024023315A1 - Detektionsanordnung, messanordnung sowie verfahren zur bestimmung der räumlichen lage eines laserstrahls

Info

Publication number: WO2024023315A1
Application number: PCT/EP2023/071029
Authority: WO
Inventors: Alexander Graf; Thomas BUCKERT
Original assignee: Novanta Europe Gmbh
Priority date: 2022-07-29
Filing date: 2023-07-28
Publication date: 2024-02-01
Also published as: DE102022119090A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektionsanordnung (100) zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls (L), Folgendes umfassend: - einen Strahldetektor (10) mit einer, insbesondere einer einzigen, Detektionsfläche (11); - ein optisches Element (20), das derart ausgelegt ist, dass bei einem Auftreffen eines Laserstrahls (L) auf eine Eintrittsebene (21) des optischen Elements (20), der Laserstrahl (L) beim Durchlaufen des optischen Elements (20) in einen ersten Teilstrahl (L₁) und einen zweiten Teilstrahl (L₂) zerlegt wird, derart, dass sich die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls (L₁) und des zweiten Teilstrahls (L₂) in der Lage ihrer jeweiligen Fokalebene und vorzugsweise in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung unterscheiden, wobei die Detektionsanordnung (100) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die beiden Teilstrahlen (L₁, L₂) auf die Detektionsfläche (11) des Strahldetektors (10) auftreffen.

Description

Detektionsanordnung, Messanordnung sowie Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Detektionsanordnung zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls gemäß Patentanspruch 1, eine Messanordnung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls gemäß Patentanspruch 9 sowie ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls gemäß Patentanspruch 10.

Um eine hohe Performance von optischen Systemen, wie beispielsweise Lasersystemen oder auch Laser-Scan-Modulen, zu erreichen, muss ein Laserstrahl meist mit hoher Genauigkeit durch transmittierende optische Komponenten oder auf reflektierenden optischen Komponenten geführt werden. Eine entsprechende Justage hierfür wird meist händisch durch einen Benutzer durchgeführt.

Darüber hinaus leidet eine Performance von optischen Systemen (z.B. für Messoder Bearbeitungsanordnungen) an unkontrollierten Schwankungen einer räumlichen Lage des jeweiligen Laserstrahls, welche nach oder während der Justage auftreten.

Diese können zum Beispiel durch (Pointing-)Drift des Lasers oder Drift eines Scansystems bedingt sein. Ebenso können umweltbedingte Einflüsse, wie eine Erwärmung von mechanischen oder optischen Komponenten zu einer Strahlbewegung führen.

Um einer derartigen Bewegung des Laserstrahls entgegenzuwirken, wird gewöhnlich in einem ersten Schritt eine Änderung der räumlichen Lage des Laserstrahls bestimmt und in einem weiteren Schritt entsprechend entgegengesteuert (entweder händisch oder automatisch). Üblicherweise werden für eine Bestimmung der räumlichen Lage zwei getrennte (Bild-)Sensoren verwendet.

Hierfür wird ein Teil eines zu untersuchenden Laserstrahls mit einem Strahlteiler entsprechend in zwei Teilstrahlen geteilt. Ein erster Teilstrahl trifft üblicherweise ohne weitere (fokussierende) Optik auf einen positions-sensitiven Sensor (PSD, position sensitive detector). Der zweite Teilstrahl wird über eine fokussierende Optik, z.B. einer Linse, auf einen zweiten positions-sensitiven Sensor gelenkt.

Dieser Aufbau erlaubt es, aus den relativen Bewegungen der Teilstrahlen, bzw. den relativen Messwerten der beiden Sensoren eine räumliche Lage des Laserstrahls bezüglich eines Referenzpunktes zu extrahieren. Dazu wird sich zunutze gemacht, dass der fokussierte Spot des zweiten Teilstrahls nicht sensitiv gegenüber einem Strahlversatz vor der fokussierenden Optik ist, d.h. bei einem versetzten Auftreffpunkt des Strahls auf die fokussierende Optik, ändert sich die Position des fokussierten Spots auf dem Sensor nicht. Dies kann durch Überlegungen aus der "Fourieroptik" und zur mathematischen Beschreibung des optischen "Fernfelds" hergeleitet werden.

Der erste Teilstrahl, welcher direkt auf den Sensor trifft, ist hingegen sowohl zu einem relativen Versatz als auch zu einer relativen Verkippung des Eingangsstrahls sensitiv. Man spricht vom optischen "Nahfeld".

Durch Ausnutzen dieser unterschiedlichen Sensitivitäten kann somit zuerst die Verkippung in beide Raumrichtungen und anschließend der zweidimensionale Versatz separiert werden.

Nachteile bislang bekannter Geräte, die derartige Messungen durchführen können, sind unter anderem die große Bauform, die Limitierungen in der absoluten Genauigkeit sowie der vergleichsweise hohe Preis, da viele Komponenten verbaut werden müssen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Detektionsanordnung bereitzustellen, die es ermöglicht, auf möglichst kompakte und kostengünstige Art und Weise eine hochpräzise Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messanordnung zur Verfügung zu stellen, welche auf möglichst kompakte und kostengünstige Art und Weise eine hochpräzise Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls ermöglicht.

Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, mittels dessen die Bestimmung der räumlichen Lage besonders vorteilhaft, insbesondere vergleichsweise schnell, durchführbar ist.

Die Aufgabe wird im Hinblick auf eine Detektionsanordnung durch den Gegenstand des Anspruchs 1, im Hinblick auf eine Messanordnung durch den Gegenstand des Anspruchs 9 sowie im Hinblick auf ein Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 10 gelöst.

Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Detektionsanordnung zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls gelöst, die Folgendes umfasst:

- einen Strahldetektor mit einer, insbesondere einer einzigen, Detektionsfläche;

- ein optisches Element, das derart ausgelegt ist, dass bei einem Auftreffen eines Laserstrahls (L) auf eine Eintrittsebene des optischen Elements, der Laserstrahl beim Durchlaufen des optischen Elements in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl zerlegt wird, derart, dass sich die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls in der Lage ihrer jeweiligen Fokalebene und vorzugsweise in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung unterscheiden, wobei die Detektionsanordnung so ausgebildet und angeordnet ist, dass die beiden Teilstrahlen auf die Detektionsfläche des Strahldetektors auftreffen.

Ein wichtiger Gedanke der Erfindung besteht darin, die Anzahl von Komponenten von herkömmlichen Geräten zur Detektion bzw. zur Bestimmung einer räumlichen Strahllage zu reduzieren. Ein Kerngedanke der Erfindung ist es daher, einerseits ein, insbesondere ein einziges, optisches Element bereitzustellen, das die Funktionsweise eines Strahlteilers und eines fokussierenden Elements (die in den herkömmlichen Geräten als separate Elemente verwendet werden) in sich vereint, und andererseits dieses optische Element wiederrum so auszulegen, dass vorzugsweise nur noch ein (einziger) Strahldetektor mit einer (einzigen) Detektionsfläche notwendig ist. Alle Teilstrahlen bzw. deren entsprechende Spots werden erfindungsgemäß auf diese Weise mit einem einzigen Strahldetektor bzw. Sensor, beispielsweise einer (CCD-)Kamera, vermessen. Insgesamt wird so ermöglicht, die Detektionsanordnung besonders kompakt zu bauen. Der Verzicht auf einen weiteren Sensor bringt zudem einen weiteren großen Vorteil in Bezug auf Kostenersparnis und Reduzierung der Komplexität des mechanischen Aufbaus der Detektionsanordnung. Des Weiteren wird eine Ausbalancierung oder Justage/Eichung von zwei Strahldetektoren zueinander hinfällig. Die maximale Eingangsstrahlgröße ist durch den erfindungsgemäßen Ansatz lediglich von der Größe des optischen Elements abhängig, welches (bis zu bestimmen Grenzen) skaliert werden kann, und dessen Kosten aber weniger stark als die der Strahldetektoren mit der Größe korrelieren.

Prinzipiell ist es dabei möglich, die Teilstrahlen (direkt) mittels des optischen Elements räumlich zu trennen, derart, dass sie sich in ihrer jeweiligen Ausbreitungsrichtung unterscheiden. Es ist jedoch genauso denkbar, dass die beiden Teilstrahlen co-linear propagieren und sich (nur) in der jeweiligen Lage der Fokalebenen unterscheiden. Für diese Variante könnte das optische Element unter Umständen so ausgebildet sein, dass es die beiden Teilstrahlen mit einer unterschiedlichen Polarisation erzeugt, z.B. derart, dass der erste Teilstrahl einer Polarisation aufweist, die im Wesentlichen senkrecht zu der Polarisation des zweiten Teilstrahls ist. Für eine Trennung der beiden co-linear propagierenden Teilstrahlen kann dann ein Polarisator verwendet werden. Alternativ könnten die co-linearen Teilstrahlen durch Blenden getrennt werden. Weiter wäre es auch denkbar, dass optische Element derart auszubilden, dass die beiden Teilstrahlen (leicht) voneinander abweichende Wellenlängen aufweisen, sodass diese durch (Spektral-)Filter voneinander getrennt werden könnten.

Unter der "Lage der Fokalebene" ist im Rahmen dieser Anmeldung ein Punkt in Strahlrichtung (des jeweiligen Strahls oder Teilstrahls) zu verstehen, an dem sich der Strahldurchmesser auf ein Minimum reduziert hat.

In einer Ausführungsform umfasst das optische Element ein diffraktives bzw. holographisches optisches Element. Andere als gleichwertig angesehene Bezeichnungen für das diffraktive bzw. holographische optische Element sind: diffraktives optisches Element (kurz DOE), holographisches optisches Element (kurz HOE), computer-generated hologram (kurz CGH) oder Hologramm. Durch das entsprechende Design des optischen (holographischen) Elements kann sowohl die optische Funktion eines Strahlteilers als auch eines fokussierenden optischen Elements, wie z.B. einer Linse, implementiert werden. Somit lässt sich die Anzahl von Bauteilen und Bauraum reduzieren. Dadurch wird sowohl die Kom plexität der Detektionsanordnung geringer, als auch deren Produktions- und Wartungskosten reduziert. Zudem wird die Detektionsanordnung dadurch flexibler gestaltet, da durch ein entsprechendes Design des holographischen Elements nicht nur zwei Teilstrahlen (wie bei einem gewöhnlichen Strahlteiler), sondern mehrere Teilstrahlen erzeugbar sind. Das diffraktive bzw. holographische optische Element kann dabei speziell für eine Wellenlänge ausgelegt sein (z.B. für 1064 nm). Alternativ oder zusätzlich kann das diffraktive bzw. holographische optische Element für mehrere Wellenlängen (z.B. 1064 nm und 532 nm) ausgelegt sein oder für einen Wellenlängenbereich ausgelegt sein (z.B. 950 nm bis 1150 nm). Die Analyse der Spots von mehreren, d.h. mehr als zwei, Teilstrahlen kann unter Umständen zur Erlangung einer höheren Genauigkeit sowie einer höheren Stabilität bzw. Rauscharmut dienen.

Durch die Mittelung der Bewegung der gleichartigen Strahlen wird z.B. Rauschen (des Lasers, des Auswerteverfahrens, des Bildsensors, ...) und fertigungsbedingte Fehler des optischen Elements (Fertigungstoleranz der „Pixel"/der optischen Struktur) unterdrückt.

Andererseits ist es aber auch denkbar, dass auch alle Teilstrahlen unterschiedliche Propagationseigenschaften (Brennweiten) haben können. Dies führt zu einer anderen Art von Mittelung, da mehr relative Bewegungen verschiedener Strahlarten zueinander bestimmt werden können.

In einer alternativen Ausführungsform kann das optische Element eine bi- oder multifokale Linse umfassen. Dies ermöglicht ebenso, sowohl die optische Funktion eines Strahlteilers als auch die eines fokussierenden optischen Elements, wie z.B. einer Linse, in einem (einzigen) optischen Element zu vereinigen. Auch auf diese Art und Weise kann folglich die Anzahl von Bauteilen und Bauraum reduziert werden. Dadurch wird sowohl die Komplexität der Detektionsanordnung geringer als auch deren Produktions- und Wartungskosten reduziert. In einer Ausführungsform kann das optische Element so ausgebildet und angeordnet sein, dass die Fokalebene des zweiten Teilstrahls auf der oder in der Nähe von der Detektionsfläche liegt. Beispielsweise ist es denkbar, dass das optische Element derart ausgelegt ist, dass die Fokalebene des zweiten (oder eines weiteren) Teilstrahls ca. 1 mm bis 10 mm vor oder hinter der Detektionsfläche liegt. Diese Werte sollen jedoch nur einem groben Verständnis einer möglichen Konfiguration dienen. Es versteht sich von selbst, dass das Prinzip beispielsweise auch für Lagen der Fokalebenen von 500 mm vor oder hinter der Detektionsfläche funktioniert.

Durch eine Lage der Fokalebene des zweiten Teilstrahls, insbesondere im Wesentlichen direkt, auf der Detektionsfläche, kann eine Auswertung der räumlichen Lage vereinfacht bzw. beschleunigt werden, da keine Freiheitsgrade, nämlich Verkippung und Versatz "vermischt" werden. Denn, wenn die Fokalebene direkt auf der Detektionsfläche liegt, ist hier keine Sensitivität gegenüber einer Verkippung des Laserstrahls vor dem optischen Element gegeben.

Beide Teilstrahlen können jedoch auch Propagationseigenschaften aufweisen, derart, dass ihre jeweilige Fokalebene fernab der Detektionsfläche liegt. Dadurch werden zwar die "Freiheitsgrade gemischt", was die Algorithmik für eine entsprechende Auswertung unter Umständen komplizierter macht, andererseits ergeben sich auf diese Weise Vorteile für die Detektionsanordnung. So wird z.B. eine höhere Laserleistung des zu untersuchenden Strahls ermöglicht, da die resultierende Intensität aufgrund des größeren, nicht-fokussierten Spotdurchmessers geringer ist, womit der Zerstörung der Detektionsfläche vorgebeugt wird.

In einer Ausführungsform ist das optische Element so ausgelegt, dass zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Teilstrahl mindestens ein, vorzugsweise mindestens zwei, weiter vorzugsweise mindestens drei, weitere(r) Teilstrahl(en) erzeugbar ist/sind oder derart, dass eine Vielzahl von Teilstrahlen erzeugbar sind. Die Verwendung von mehreren Teilstrahlen und damit die Analyse mehrerer Spots auf der Detektionsfläche wirkt sich vorteilhaft auf das Rauschen und die erreichbare Genauigkeit der Detektionsanordnung aus.

In einer Ausführungsform ist das optische Element derart ausgelegt, dass mehrere Teilstrahlen unterschiedliche Propagationseigenschaften bezüglich der jeweiligen Lage der Fokalebene aufweisen, und/oder dass mindestens zwei Teilstrahlgruppen erzeugt werden, wobei eine erste Teilstrahlgruppe erste Teilstrahlen mit einer ersten Lage der jeweiligen Fokalebenen umfasst und eine zweite Teilstrahlgruppe zweite Teilstrahlen mit einer zweiten Lage der jeweiligen Fokalebenen umfasst (die sich von der Lage der ersten Teilstrahlgruppe unterscheidet).

Dies bietet einen effektiven Ansatz zur Rauschunterdrückung in der Messung. So können verschiedene Spotbewegungen miteinander verglichen werden. Die Vielzahl an relativen Spotbewegungen erlaubt eine redundante Bestimmung der Freiheitsgrade des einfallenden Laserstrahls und eine Mittelung der Ergebnisse. Auf diese Weise kann eine Auswertung beschleunigt und eine Genauigkeit erhöht werden.

Die Ausgestaltung dieser Ausführungsform, wonach mehrere oder alle (ggf. bis auf den ersten Teilstrahl) Teilstrahlen dieselben Propagationseigenschaften, wie z.B. unterschiedliche Propagationsrichtung aber im Wesentlichen gleiche Brennweite, aufweisen, bietet einen weiteren effektiven Ansatz zur Rauschunterdrückungen in der Messung. Auf diese Weise kann über eine relative Bewegung (Abweichung) gleicher Spots der Teilstrahlen mit denselben Propagationseigenschaften gemittelt werden. Auf diese Weise kann eine Genauigkeit deutlich erhöht werden.

In einer Ausführungsform ist das optische Element derart ausgelegt, dass die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls von dem optischen Element im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben und/oder derart, dass das optische Element (auch) den ersten Teilstrahl geringfügig fokussiert. Dabei ist unter "im Wesentlichen unbeeinflusst" insbesondere zu verstehen, dass das optische Element den entsprechenden Teilstrahl lediglich derart beeinflusst, wie z.B. eine planparallele (Glas-)Platte, die in dem Strahl angeordnet wäre. Unter einer "geringfügigen Fokussierung" kann insbesondere eine Wirkung ähnlich der Wirkung einer Linse mit einem vergleichsweisen großen Abstand der Brennweite zum Abstand des optischen Elements zum Sensor verstanden werden.

Beispielsweise hat sich eine Konfiguration als besonders vorteilhaft herausgestellt, bei der ein Abstand der Fokalebene der "geringfügig fokussierten" Teilstrahlen zur Detektorfläche ca. 130 Rayleighlängen beträgt, und der Abstand der Fokalebene der "stärker fokussierten" Teilstrahlen ca. 13 Rayleighlängen beträgt.

Vorteilhafterweise kann das optische Element also mindestens zwei Brennweiten (zur Fokussierung entsprechender Teilstrahlen) aufweisen, deren jeweilige Brechkraft sich (mindestens) um einen Faktor 10 unterscheidet.

Auf diese Weise bietet die Detektionsanordnung eine Sensitivität bezüglich eines relativen Versatzes und auch bezüglich einer relativen Verkippung des Eingangsstrahls. Den ersten Teilstahl geringfügig zu fokussieren bietet ggf. den Vorteil (siehe auch oben), dass größere Eingangsstrahlen vermessen werden können, bzw. kleinere Strahldetektoren verwendet werden können, da die resultierende Strahlgröße auf der Detektionsfläche kleiner ist.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Strahldetektor einen, insbesondere einen einzigen, Bildsensor. Der Bildsensor kann beispielsweise als eine (CCD-)Kamera oder dergleichen ausgebildet sein. Dadurch wird ermöglicht, Bilder einzulesen und mittels Bildverarbeitung auszuwerten. Verglichen mit anderen Detektoren wie beispielsweise Quadrantendioden kann so eine höhere absolute Genauigkeit der Auswertung erfolgen, insbesondere da für dieses Vorgehen keine Kalibrierung oder Skalierung der Messungen nötig ist, sondern auf dem Zählen von einer bekannten Pixelgröße beruht. Auf diese Weise besitzt die Messung vorteilhafterweise keine Abhängigkeit von einem Spotdurchmesser, einem Spalt zwischen den Quadranten oder einer Intensitätsverteilung.

Insbesondere wird die Aufgabe auch durch eine Messanordnung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls gelöst, wobei die Messanordnung Folgendes umfasst:

- eine erfindungsgemäße Detektionsanordnung sowie

- eine Recheneinheit, die mit der Detektionsanordnung verbunden ist und die dazu ausgelegt ist Positionen und/oder Positionsabweichungen der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche zu bestimmen bzw. auszuwerten.

Hieraus ergeben sich dieselben Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Detektionsanordnung beschrieben wurden. Mittels der Recheneinheit kann zudem eine Datenauswertung durch eine Auswertung und/oder eine Bildverarbeitung durchgeführt werden.

Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls gelöst, vorzugsweise unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Detektionsanordnung oder einer erfindungsgemäßen Messanordnung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Trennen des Eingangslaserstrahls in mindestens zwei Teilstrahlen mittels eines, insbesondere diffraktiven, optischen Elements, derart, dass sich die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung und in der Lage ihrer Fokalebene unterscheiden; b) Detektieren der mindestens zwei Teilstrahlen auf einer, insbesondere gemeinsamen, Detektionsfläche eines Strahldetektors, vorzugsweise mit einem Bildsensor; c) Bestimmen der Positionen und/oder Positionsabweichungen der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche des Strahldetektors.

Hieraus ergeben sich dieselben Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Detektionsanordnung oder der Messanordnung beschrieben wurden.

In einer Ausführungsform umfasst Schritt c), aus Positionsabweichungen der mindestens zwei Teilstrahlen auf der Detektionsfläche einen Versatz sowie eine räumliche Verkippung des (Eingangs-)Laserstrahls, insbesondere absolut, zu bestimmen.

Damit kann eine räumliche Lage des Laserstrahls eindeutig bestimmt werden. Dies ermöglicht, in einem nachgeschalteten Verfahren, beispielsweise mittels steuerbarer Spiegel, die räumliche Lage des Laserstrahls zu korrigieren, so dass Driftbewegungen und Schwankungen ausgeglichen werden können. Das Verfahren sowie die Detektionsanordnung ermöglichen (da Design und mechanischer Aufbau bekannt sind), dass ohne weitere Kalibrierung, diese vier Freiheitsgrade als Absolutwerte extrahiert werden können. In herkömmlichen Verfahren oder Anordnungen, werden stets nur relative Werte extrahiert, welche durch zusätzliche Kalibrierung korrigiert werden müssen, da z.B. ein Verschieben in x-Richtung zu einem Ausschlag des Offset-Messwerts in dieselbe x-Richtung führt; allerdings stimmt ein tatsächlicher Offsetwert auf diese Weise dann nicht mit gemessenen Werten überein.

Unter "Absolutwerten" und/oder einer "absoluten" Bestimmung der Werte wird dabei vorzugsweise Folgendes verstanden.

Wird beispielsweise eine initiale Lage des Laserstrahls als "Referenzlage" definiert (Offset = 0 mm / 0 mm, Verkippung = 0 rad / 0 rad), kann aufgrund der unterschiedlichen Bewegung der verschiedenen Teilstrahlen auf der Detektionsfläche eine neue absolute Lage des Laserstrahls bestimmt werden, ohne dass experimentell zu bestimmende Kalibrierungsfaktoren angewandt werden müssen.

In anderen Worten: Wenn der Laserstrahl beispielsweise um 1 mm in x-Richtung und 0.5 rad in y-Richtung abweicht, kann erfindungsgemäß ohne weitere Kalibrierung ein Versatz von 1 mm in x-Richtung und 0.5 rad in y-Richtung ermittelt werden.

Das liegt insbesondere daran, dass das Design des optischen Elements (DOE) und/oder ein Ablenkwinkel der Teilstrahlen, sowie der mechanische Aufbau (Abstand optisches Element zu Strahldetektor) bekannt sind. Da insbesondere auch eine Pixelgröße oder dgl. des Detektors bekannt ist, kann eine Bewegung der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche vorzugsweise in SI-Einheiten bestimmt (umgerechnet) werden.

Aufgrund dieser Kenntnis kann eine Änderung der Strahllage des Laserstrahls absolut bestimmt werden. Wenn, wie beschrieben, das Koordinatensystem des Laserstrahls als Referenzkoordinatensystem angesehen wird, ist somit auch die (neue) Lage des Strahls absolut bestimmbar.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die relative Lage des Laserstrahls zur Detektionsanordnung (bzw. dessen Änderung) absolut bestimmt werden. Das heißt, dass absolute Werte (ohne weitere Kalibrierung) ermittelt werden können, wenn die bestimmte Position der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche mit der theoretischen Position der Teilstrahlen bei zentrischen und senkrechten (Offset = 0 mm / 0 mm, Verkippung = 0 rad / 0 rad) Einfall des Eingangsstrahls auf den Sensor verglichen wird.

Damit kann eine räumliche Lage des Laserstrahls bezüglich einer Referenzlage (insbesondere der initialen Lage des Laserstrahls oder auch der initialen relativen Lage zur Detektionsanordnung) eindeutig bestimmt werden.

Insgesamt wird auf die vorgeschlagene Weise also sowohl das Verfahren als auch die Detektionsanordnung selbst vereinfacht und eine Messgenauigkeit erhöht.

In einer Ausführungsform wird der Versatz und/oder die Verkippung des Laserstrahls durch iteratives Minimieren eines Differenzwertes ömin zwischen

- theoretischen relativen Positionsabweichungen der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche, und

- gemessenen relativen Positionsabweichungen der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche, durch Neuberechnen der theoretischen relativen Positionsabweichungen mit veränderten Parametern für Versatz (Ax, Ay) und/oder Verkippung (a, ß) bestimmt.

Bevorzugt kann der Versatz und die Verkippung dabei unter Berücksichtigung von berechneten (theoretischen) Simulationswerten mit "zufällig" gewählten Versätzen und Verkippungen durchgeführt werden und die resultierenden berechneten (relativen) Positionsabweichungen mit den gemessenen (relativen) Positionsabweichungen verglichen werden.

Insgesamt ergibt sich auf diese Art und Weise durch das iterative Minimieren des Differenzwerts ein schnelles und zuverlässiges Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage des Eingangslaserstrahls.

Der Begriff "relativ" ist dabei hier insbesondere derart zu verstehen, dass jeweils mindestens zwei verschiedene Teilstrahlen mit unterschiedlichen Propagationseigenschaften (unterschiedliche Lage der Fokalebene) verwendet werden, um Versatz und Verkippung aus den jeweiligen Positionsabweichungen zu extrahieren.

In einer Ausführungsform wird die Differenz von berechneten Positionsabweichungen der Teilstrahlen anhand eines jeweils vorab bestimmten bzw. gemessenen Referenzpunktes auf der Detektorfläche bestimmt.

Auch durch die Verwendung eines Referenzpunktes wird die Genauigkeit des Verfahrens erhöht und die Bestimmung der räumlichen Lage des Eingangslaserstrahls beschleunigt.

In einer Ausführungsform wird das iterative Minimieren unter Verwendung von Stützwerttabellen ausgeführt, die jeweils Stützwerte einer äquidistanten Schrittweite enthalten, wobei in einem ersten Iterationsschritt S1 eine erste Stützwerttabelle verwendet wird, die eine erste Schrittweite aufweist, und anhand der entsprechenden Stützwerte der ersten Stützwerttabelle der Differenzwert minimiert wird, und wobei in einem zweiten Iterationsschritt S2 ein im Iterationsschritt S1 bestimmter best-fit-Stützwert, für den der Differenzwert in Iterationsschritt S1 minimal ist bzw. wird, als Mittelpunkt in einer zweiten Stützwerttabel le verwendet wird, und Stützwertgrenzen entsprechend der dem best-fit-Stützwert angrenzenden Stützwerte der ersten Stützwerttabelle gewählt werden, und die Stützwerte der zweiten Stützwerttabelle zwischen diesen Stützwertgrenzen verwendet werden, um den Differenzwert zu minimieren, wobei eine zweite Schrittweite der zweiten Stützwerttabelle kleiner ist als die erste Schrittweite der ersten Stützwerttabelle.

Durch diesen Ansatz wird deutlich an benötigter Rechenleistung eingespart, und somit das Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage des Eingangslaserstrahls drastisch beschleunigt. Dies wird dadurch erreicht, dass auf diese Weise entsprechende Spotpositionen nur für wenige Versätze und Verkippungen berechnet werden müssen. Eine mögliche Alternative wäre eine deutlich größere Stützwerttabelle, welche dieselbe Auflösung wie die finale, feine Stützwerttabelle aufweist, jedoch denselben großen Wertebereich wie die erste, grobe Stützwerttabelle abdeckt.

Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein computerlesbares (Speicher- )Medium gelöst, welches Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren (i nsbesondere Schritt c) des Verfahrens wie vorab beschrieben und/oder nachfolgend beschriebene Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens) wie zuvor beschrieben auszuführen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beschrieben, die anhand der Figuren näher erläutert werden.

Die beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen, wie nachfolgend in den Figuren der Zeichnung gezeigt und anhand der Zeichnung beschrieben, sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Hierbei zeigen:

FIG. 1A bis 1C geometrische Definitionen bezüglich einer Verkippung und eines Versatzes eines Laserstrahls;

FIG. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen

Detektionsanordnung zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls unter Verwendung von zwei Teilstrahlen;

FIG. 3 eine schematische Aufsicht auf eine Detektionsfläche eines

Strahldetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Spots von zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Propagationseigenschaften detektiert werden;

FIG. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionsanordnung zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls unter Verwendung von mehreren Teilstrahlen;

FIG. 5A eine schematische Aufsicht auf eine Detektionsfläche eines

Strahldetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem sechs Spots von sechs Teilstrahlen detektiert werden, wobei fünf Teilstrahlen im Wesentlichen dieselben Propagationseigenschaften aufweisen (optisches Element mit zwei Brennweiten);

FIG. 5B eine schematische Aufsicht auf eine Detektionsfläche eines

Strahldetektors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem sechs Spots von mehreren Teilstrahlen detektiert werden, wobei alle Teilstrahlen unterschiedliche Propagationseigenschaften aufweisen (optisches Element mit mehreren Brennweiten);

FIG. 6A bis 6C ein schematischer Ablauf zur Bestimmung der Spotpositionen bzw. Spotbewegungen gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls;

FIG. 7 ein schematischer Ablauf zur Bestimmung des Versatzes und der Verkippung des Laserstrahls gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls unter Verwendung von Stützwerttabellen.

In FIG. 1A bis 1C sind geometrische Definitionen bezüglich der verwendeten Terminologie einer Verkippung und eines Versatzes eines Laserstrahls L (schematisch verdeutlicht durch den Pfeil mit größerer Strichstärke) gezeigt, der sich im dreidimensionalen Raum mit den Koordinaten x, y und z ausbreitet.

Zur Bestimmung der Lage des Laserstrahls im dreidimensionalen Raum bezüglich eines Referenzpunktes werden vorzugsweise folgende vier Freiheitsgrade bestimmt: - Versatz in x-Richtung (Ax),

- Versatz in y-Richtung (Ay),

- Verkippung in x-Richtung (a),

- Verkippung in y-Richtung (ß).

Unter einer Verkippung des Laserstrahls L wird eine Veränderung der räumlichen Lage des Laserstrahls entlang der gezeigten Winkel a und ß verstanden (FIG. 1A).

Unter einem Versatz in x-Richtung (Ax) wird dabei verstanden, dass sich der Laserstrahl im Raum im Wesentlichen parallel in x-Richtung um den Betrag Ax verschiebt (FIG. 1B).

Unter einem Versatz in y-Richtung (Ay) wird dabei verstanden, dass sich der Laserstrahl im Raum im Wesentlichen parallel in y-Richtung um den Betrag Ay verschiebt (FIG. 1C).

In FIG. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionsanordnung 100 zur Detektion der räumlichen Lage eines (Eingangs-)Laserstrahls L unter Verwendung von zwei Teilstrahlen Li und L₂ dargestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der zu untersuchende Laserstrahl L entsprechend abgeschwächt werden, bevor der Detektionsanordnung 100 zugeführt wird. Hierfür kann beispielsweise ein entsprechender Strahlteiler BS verwendet werden, der einen Hauptanteil der Laserleistung transmittieren lässt und einen Reflex des Laserstrahls L in Richtung der Detektionsanordnung 100 reflektiert.

Es ist jedoch ggf. auch denkbar (beispielsweise bei niedrigen Laserleistungen), den Laserstrahl L direkt oder mit Hilfe von Spiegeln (ohne Strahlteiler BS) in die Detektionsanordnung 100 einzukoppeln.

Die Detektionsanordnung 100 zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls L, weist einen Strahldetektor 10 mit einer Detektionsfläche 11 auf. Der Strahldetektor 10 ist bevorzugt als Bildsensor, beispielsweise als eine (CCD-)Kamera, ausgebildet.

Ferner weist die Detektionsanordnung ein optisches Element 20 auf, das derart ausgelegt ist, dass bei einem Auftreffen des Laserstrahls L (bzw. des abgezweigten Reflexes) auf eine Eintrittsebene 21 der Laserstrahl L das optische Element 20 durchläuft und dabei in einen ersten Teilstrahl Li und einen zweiten Teilstrahl L₂ zerlegt wird.

Dabei ist das optische Element 20 speziell derart ausgelegt, dass sich die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls Li und des zweiten Teilstrahls L₂ nach dem Durchlaufen des optischen Elements 20 in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung und der Lage ihrer Fokalebene unterscheiden.

Anschließend treffen die beiden Teilstrahlen Li, L₂ auf die Detektionsfläche 11 des Strahldetektors 10 auf.

Das optische Element 20 vereint dabei die Funktionsweise eines Strahlteilers und eines fokussierenden Elements, so dass die Detektionsanordnung 100 kompakt gebaut werden kann und lediglich ein einziger Strahldetektor 100 benötigt wird.

In einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem optischen Element 20 um ein holographisches (diffraktives) optisches Element handeln. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das optische Element 20 als bifokale Linse ausgebildet sein.

Das optische Element 20 ist dabei so ausgelegt, dass die Fokalebene des zweiten Teilstrahls L₂ auf der oder in der Nähe von der Detektionsfläche zu liegen kommt.

Ferner ist das optische Element 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel derart ausgelegt, dass der erste Teilstrahl Li im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, also weder die Propagationsrichtung beeinflusst noch fokussiert wird.

In FIG. 3 ist eine schematische Aufsicht auf eine Detektionsfläche 11 eines Strahldetektors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Spots von zwei Teilstrahlen Li, L₂ mit unterschiedlichen Propagationseigenschaften detektiert werden. In diesem gezeigten Beispiel werden die beiden Teilstrahlen Li, L₂ (unterschiedlich) fokussiert. Der erste Teilstrahl Li wird dabei nur geringfügig mittels des optischen Elements 20 fokussiert, während der zweite Teilstrahl L₂ stärker fokussiert wird, so dass seine Fokalebene in der Nähe (in z-Richtung) der Detektionsfläche liegt.

Ferner wird der erste Teilstrahl Li gemäß diesem Ausführungsbeispiel der FIG. 3 in seiner Propagationsrichtung (bzw. in der des einfallenden Strahls L) nicht beeinflusst, sondern passiert das optische Element 20 in z-Richtung (siehe FIG. 2) und bleibt dabei in x- und y- Richtung im Wesentlichen unbeeinflusst.

Der zweite Teilstrahl L₂ wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel hingegen sowohl in x- als auch in y- Richtung von dem optischen Element 20 beeinflusst. Alternativ könnte der zweite Teilstrahl L₂ auch nur in x- oder in y-Richtung beeinflusst werden.

In FIG. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionsanordnung 100 zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls L unter Verwendung von mehreren Teilstrahlen gezeigt.

Das optische Element 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel als holographisches Element 20 mit mehreren Brennweiten ausgebildet und derart ausgelegt, dass mehrere Teilstrahlen erzeugt werden.

In FIG. 4 sind ein erster Teilstrahl Li sowie fünf weitere Teilstrahlen L₂ bis L₆ dargestellt. Dabei versteht es sich von selbst, dass dies lediglich beispielhafter Natur ist, und genauso eine andere Anzahl an weiteren Teilstrahlen L₂ bis L_n umgesetzt werden kann.

Ähnlich wie in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel soll hier der erste Teilstrahl Li entweder nicht oder geringfügig durch das optische Element 20 fokussiert werden und seine Propagationsrichtung im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben.

Die weiteren Teilstrahlen L₂ bis L₆ werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel von dem optischen Element 20 jeweils unterschiedlich abgelenkt (in x- und y- Richtung). Dabei kann das optische Element 20 so ausgelegt sein, dass alle weiteren Teilstrahlen L₂ bis L₆ so beeinflusst werden, dass ihre jeweilige Fokalebene auf oder in der Nähe von der Detektionsfläche 11 zu liegen kommt (FIG. 5A). Alle Spots der Teilstrahlen L₂ bis L₆ haben so im Wesentlichen die selbe Größe. Das optische Element 20 ist hier insbesondere als optisches Element mit zwei Brennweiten ausgebildet.

Alternativ kann das optische Element 20 aber auch so ausgelegt sein, dass alle weiteren Teilstrahlen L₂ bis L₆ so beeinflusst werden, dass ihre jeweilige Fokalebene in unterschiedlichen Entfernungen (in z-Richtung) von der Detektionsfläche 11 zu liegen kommen (FIG. 5B). Alle Spots der Teilstrahlen Li bis L₆ haben somit unterschiedliche Größen. Das optische Element 20 ist dann insbesondere als optisches Element mit mehreren (im konkreten gezeigten Fall sechs) Brennweiten ausgebildet.

Eine Mittelung bei der Auswertung der relativen Bewegungen "gleichartiger" Spots, d.h. Teilstrahlen mit derselben Brennweite (bzw. gleicher Lage der Fokalebenen, FIG. 5A), kann sich vorteilhaft auf das Rauschen und die erzielbare Genauigkeit der Detektionsanordnung 100 auswirken.

Die Konfiguration gemäß FIG. 5B bietet einen anderen Ansatz zur Rauschunterdrückung durch Mittelung mehrerer Spots mit unterschiedlichen Brennweiten (unterschiedlicher Lage der Fokalebenen).

Grundsätzlich können verschiedene Spotbewegungen miteinander verglichen werden. Die Vielzahl an relativen Spotbewegungen erlaubt eine redundante Bestimmung der Freiheitsgrade des einfallenden Laserstrahls L und eine Mittelung der Ergebnisse.

Wie bereits vorab beschrieben, wird die Lage und Bewegung aller von dem optischen Element 20 erzeugten Teilstrahlen Li bis L_n mit einem Strahldetektor 10, beispielsweise einer (CCD-)Kamera, aufgenommen und vermessen.

Je nach Anforderung an Genauigkeit und Geschwindigkeit kann dabei eine passende Kamera gewählt werden. Ebenso ist der Abstand zwischen dem optischen Element 20 und dem Strahldetektor 10 bzw. dessen Detektionsfläche 11 nahezu frei wählbar. Ferner ist es gemäß einem weiterführenden Aspekt der Erfindung möglich, dass aus einem (mittleren) Abstand der Teilstrahlen L₂ bis L₆, die vorzugsweise auf einem Orbit (siehe z.B. FIG. 5A oder 5B) um Teilstrahl Li herum angeordnet sind, auf eine (gewichtete Zentral-)Wellenlänge des eingestrahlten Lichts geschlossen werden kann. Bei Bestrahlung des optischen Elements mit einer zur Designwellenlänge verschiedenen Wellenlänge (z.B. DOE für 1064 nm ausgelegt, Bestrahlung mit Laserquelle mit 1074 nm) verändert sich die Beugungsstärke des optischen Elements. Die Teilstrahlen L₂ bis L₆ werden weniger oder stärker abgelenkt und treffen näher oder weiter entfernt zum Zentrum auf die Kamera. Insbesondere kann so eine Abweichung von der Designwellenlänge des optischen Elements 20 über die Abweichung der Lage der Teilstrahlen L₂ bis L₆ bestimmt werden. Daher ist die Detektionsanordnung 100 gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung auch als (eine Art) Spektrometer verwendbar und kann zur Wellenlängenüberwachung eingesetzt werden.

In FIG. 6A bis 6C ist ein schematischer Ablauf zur Bestimmung der Spotpositionen bzw. Spotbewegungen gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls L gezeigt.

Hierfür wird eine Detektionsanordnung 100 (FIG. 2 oder FIG. 4) sowie eine mit der Detektionseinheit 100 verbundene (nicht dargestellte) Recheneinheit verwendet. Die Recheneinheit bildet zusammen mit der Detektionsanordnung 100 eine Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In einem ersten Schritt werden für eine Bestimmung der räumlichen Lage des Laserstrahls L Informationen (Bilder bzw. Bilddaten) des Strahldetektors mittels der Recheneinheit eingelesen - z.B. als Einzelbilder.

Diese Informationen des Strahldetektors können mit einem Auswerteprogramm auf der Recheneinheit ausgewertet werden.

In einem Ausführungsbeispiel werden die Informationen als Graustufenbild eingelesen bzw. dargestellt (siehe FIG. 6A).

Eine entsprechende Auflösung hängt von dem Strahldetektor ab und kann beispielsweise 8 Bit betragen, was einer Aufteilung in 256 verschiedenen Werten entspricht. Zur hochgenauen Bestimmung der Spotpositionen der einzelnen Teilstrahlen wird eine Bildverarbeitung auf das Graustufenbild angewendet.

Dazu werden die Bilder zuerst binarisiert, d.h. in ein Schwarz-Weiß-Bild entsprechend einem fixen oder adaptiven Grenzwert konvertiert (siehe FIG. 6B).

Anschließend wird z.B. eine Ellipsen-Detektion durchgeführt und der Schwerpunkt der Spots extrahiert (siehe FIG. 6C).

Dies geschieht z.B. über eine automatisierte Gewichtung der zum jeweiligen Spot beitragenden Pixel.

Durch diesen Ansatz ist es möglich, subpixelgenau den Ellipsenschwerpunkt zu bestimmen. Daher ist dieser Ansatz vorteilhaft gegenüber einer einfachen Detektion des hellsten Punktes / Pixels zur Bestimmung der Spotposition.

Durch Mitteln mehrerer Kamerabilder zur Rauschunterdrückung und zweidimensionaler Interpolation in den Bereichen der Spots zur Erhöhung der Auflösung, kann die Genauigkeit der Schwerpunkts-Bestimmung weiter erhöht werden.

Beispielsweise ist mit dieser Methode eine Auflösung / Genauigkeit von 0.005 Pixel, was bei einer typischen Pixelkantenlänge von 4.65 pm etwa 23.25 nm entspricht, möglich.

Unter Bezugnahme auf FIG. 6A bis 6C wurde beschrieben, wie Spotpositionen der Teilstrahlen auf der Detektionsfläche 11 des Strahldetektors 10, bzw. deren Bewegung mittels Aufnahme und Auswertung eines (Kamera-)bildes bestimmt werden können.

Im Folgenden wird beschrieben, wie mittels dieser Auswertung bestimmt werden kann, welcher Anteil der Spotbewegungen aus einem Versatz Ax und/oder Ay und welcher Anteil aus einer Verkippung a und/oder ß des Eingangslaserstrahls L resultiert.

Dazu werden insbesondere folgende Annahmen getroffen: Alle von dem optischen Element 20 generierten Teilstrahlen Li ... L_n, bzw. die zugehörigen Spots auf der Detektionsfläche 11 des Strahldetektors 10, haben dieselbe Sensitivität für eine Verkippung a und/oder ß des Eingangslaserstrahls L, d.h. bei einem gegebenen Kippwinkel des zu untersuchenden Eingangslaserstrahls L bewegen sich alle Spots der Teilstrahlen Li ... L_n (im Wesentlichen) im selben Maße.

Die Sensitivität der von dem optischen Element 20 generierten Teilstrahlen Li ... L_n, bzw. die der entsprechend zugehörigen Spots auf der Detektionsfläche 11 des Strahldetektors 10, bezüglich eines Versatzes Ax und/oder Ay des zu untersuchenden Eingangslaserstrahls L vor dem optischen Element 20 hängt nach dem Strahlensatz von ihrer jeweiligen Brennweite (Lage der jeweiligen Fokalebene gegenüber der Detektionsfläche 11) ab.

Der Einfluss von Versatz Ax und/oder Ay und Verkippung a und/oder ß des Eingangslaserstrahls L auf die Positionen der jeweiligen Spots ist unabhängig voneinander.

Eine Verkippung a und/oder ß oder ein Versatz Ax und/oder Ay des Eingangslaserstrahls L wirken sich durch eine Spotbewegung in dieselbe Richtung aus (z.B. Verkippung des Eingangslaserstrahls L in x-Richtung bewirkt Spotbewegung in x-Richtung).

Diese Annahmen erlauben es, das folgende Gleichungssystem aufzustellen und zu lösen:

GL (1) AXversatz,spotl + AXverkippung,spotl ^— AXtotal,spotl

GL (2) AXversatz,spot2 + AXverkippung,spot2 ^— AXtotal,spot2

Gleichung Gl. (3) erhält man aus der Differenz von Gleichung Gl. (2) und Gleichung Gl. (1) sowie der Annahme Ax_Verkippung,spoti = Ax_Verkip_P ung,spot2-

Gl. (3) AXversatz,spotl" AXversatz,spot2 ^— AXtotal,spotl - AXtotal,spot2 "spoti" bzw. "spot₂" (... spotn) bezeichnet in den Gleichungen dabei jeweils Spots von Teilstrahlen Li ... L_n mit unterschiedlicher Brennweite (bzw. unterschiedlichem Durchmesser auf der Detektionsfläche 11).

Axversatz und Axverkippung bezeichnen das Maß für eine Bewegung des jeweiligen Spots auf der Detektionsfläche in x-Richtung, welche durch einen Strahlversatz Ax, bzw. durch die Verkippung a bedingt sind.

Axtotai bezeichnet die gesamte Bewegung eines Spots oder einer Spot-Art auf der Kamera in x-Richtung.

Das Gleichungssystem kann analog für die y-Richtung aufgestellt werden.

Ebenso gilt sie für jede relative Beziehung von Teilstrahlen Li ... L_n mit unterschiedlicher Brennweite (und daher insbesondere auch für die Betrachtung eines Systems mit einer Vielzahl von unterschiedlich stark fokussierten Teilstrahlen und aller sich daraus ergebenden relativen Beziehungen).

Eine Spotposition oder eine Abweichung einer Spotposition kann bei einem gegebenen Versatz und gegebener Verkippung des Eingangsstrahls L theoretisch berechnet werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die Berechnung nicht zwingend reversibel ist bzw. dies unter Umständen nur mit einem erhöhten Rechenaufwand ermittelt werden kann. Das bedeutet, dass aus der Spotposition nicht direkt (mit endlichem Zeitaufwand) auf den vorliegenden Versatz und die Verkippung geschlossen werden kann.

Stattdessen werden erfindungsgemäß für zufällig oder bestimmt gewählte Werte von Verkippungen a und/oder ß oder Versätzen Ax und/oder Ay des Eingangslaserstrahls L die erwarteten Spotpositionen auf der Detektionsfläche 11 bestimmt.

Diese (theoretischen) Werte werden in Stützwerttabellen (Look-Up tables) LUTi, LUT₂, LUT₃, ... , LUT_n, gespeichert, die diese Korrelation in tabellarischer Form beinhalten. Zur Lösung der obigen Gleichung Gl. (3) werden daher die Spotpositionen für verschiedene Versätze bzgl. eines Referenzpunkts (z.B. bzgl. der vorherigen Messung) in x-Richtung berechnet.

Anschließend wird die Differenz der relativen Änderung der Spotposition oder die relative Spotbewegung oder die Differenz der Spotbewegungen, bestimmt. Dies entspricht dem linken Teil der Gleichung Gl. (3).

Der rechte Teil der Gleichung Gl. (3) kann direkt aus der Bestimmung der, mittels des Strahldetektors 10 aufgenommenen und mittels Bildverarbeitung bestimmten, relativen Spotbewegungen ermittelt werden.

Der Versatz Ax gilt als bestimmt, wenn ein Differenzwert 8min, der aus einer Differenz zwischen linker und rechter Seite der Gleichung Gl. (3) gebildet wird, minimal ist.

Gl. (3a) 8min = (AXversatz,spotl “ AXversatz,spot2) ^— (AXtotal,spotl “ AXtotal,spot2)

Anschließend kann die versatzabhängige Bewegung der Spots von der Gesamtbewegung abgezogen werden, sodass der verkippungsabhängige Teil übrigbleibt:

Gl. (4) AXversatz,spotl + AXverkippung,spotl ⁼ AXtotal,spotl | “ AXversatz,spotl

Gl. (5) AXverkippung,spotl ⁼ AXtotal,spotl “ AXversatz,spotl

Gleichung Gl. (5) gilt analog für "andere Arten von Spots" (spot₂ ... spot_n), sowie für die y-Richtung.

Wieder kann der rechte Teil der Gleichung Gl. (5), äquivalent zur Gleichung Gl. (3), über die Messung und Auswertung der Daten des Strahldetektors bestimmt werden, während der linke Teil der Gleichung durch Variation des Kippwinkels a approximiert wird.

Problematisch bei der gewöhnlichen Lösung dieses Ansatzes ist die Kombination der einerseits hohen gewünschten Auflösung im pm/prad- und sub-pm/sub-prad- Bereich und eines andererseits großen Messbereichs. Angenommen der Versatz in x-Richtung Ax soll mit einer Auflösung von 0.1 pm bei einem Messbereich von ± 2 mm bestimmt werden.

Dies würde eine Stützwerttabelle mit 40.000 Einträgen zu den äquidistant verteilten Schritten nach sich ziehen.

Da die Bestimmung der vier Freiheitsgrade der Strahllage jedoch für viele Anwendung live und innerhalb von wenigen Hundert Mikrosekunden bis wenigen Sekunden durchgeführt werden muss, stellt dies ein Problem dar.

Daher wird erfindungsgemäß ein neuartiger Ansatz eines "iterativen Look-Up- Tables" vorgeschlagen.

Die Funktionsweise für das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls mit iterativem Ansatz ist schematisch in FIG. 7 dargestellt.

Zu Beginn des Verfahrens wird in einem ersten Schritt S1 eine vergleichsweise grobe, erste Stützwerttabelle LUTi mit weit entfernten, äquidistanten Stützwerten einer ersten Schrittweite ASi, die den gesamten Wertebereich (Messbereich, Größe/Fläche der Detektionsfläche 11) abdeckt, erstellt.

Nach Gleichung Gl. (3) wird die minimale Abweichung der berechneten relativen Spotbewegung zur gemessenen relativen Spotbewegung bestimmt, in anderen Worten der Differenzwert ömin (vgl. Gleichung Gl. (3a)) für die Stützwerte aus der ersten Stützwerttabelle LUTi minimiert.

Der so bestimmte (erste) best-fit-Stützwert Xi dient als Mittelpunkt für eine zweite Stützwerttabelle LUT₂, dessen Grenzen die angrenzenden Stützstellen aus LUTi x.j und x+i sind.

Die zweite Stützwerttabelle weist äquidistante Stützwerte einer zweiten Schrittweite AS₂ auf, die kleiner (feiner) ist als die erste Schrittweite ASi der ersten Stützwerttabelle LUTi.

Nach Gleichung Gl. (3) wird nun erneut in einem zweiten Schritt S2 die minimale Abweichung der berechneten relativen Spotbewegung zur gemessenen relativen Spotbewegung bestimmt, in anderen Worten der Differenzwert ö_min (vgl. Gleichung Gl. (3a)) für die Stützwerte aus der zweiten Stützwerttabelle LUT₂ minimiert.

Der so bestimmte (zweite) best-fit-Stützwert x„ dient als Mittelpunkt für eine weitere (dritte) Stützwerttabelle LUT₃, dessen Grenzen die angrenzenden Stützstellen aus LUTi x-„ und x_+ii sind.

Die dritte Stützwerttabelle weist äquidistante Stützwerte einer zweiten Schrittweite AS₃ auf, die kleiner (feiner) ist als die zweite Schrittweite AS₂ der zweiten Stützwerttabelle LUT₂.

Nach Gleichung Gl. (3) wird nun erneut in einem dritten Schritt S3 die minimale Abweichung der berechneten relativen Spotbewegung zur gemessenen relativen Spotbewegung bestimmt, in anderen Worten der Differenzwert ö_min (vgl.

Gleichung Gl. (3a)) für die Stützwerte aus der dritten Stützwerttabelle LUT₃ minimiert.

Der so bestimmte (dritte) best-fit-Stützwert X kann nun als tatsächliche Lösung verwendet werden oder alternativ als Mittelpunkt für eine weitere Stützwerttabelle LUT_n, dessen Grenzen die angrenzenden Stützstellen aus LUT₃ x-iü und x+iü sind.

Der Wertebereich wird damit signifikant kleiner, die Auflösung steigt hingegen aufgrund der fixen Einteilung in eine bestimmte Anzahl von Stützwerten.

Dasselbe Prinzip wird fortgeführt bis die Auslösung in der finalen Stützwerttabelle LUT₃ der geforderten Auflösung (oder besser) entspricht. Dabei kann die Anzahl der Iterationsschritte und die Anzahl der Stützwerttabellen selbstverständlich abweichen. Beispielsweise sind auch nur zwei (statt den gezeigten drei) Schritte und Stützwerttabellen denkbar oder auch mehr als drei.

Die oben beispielhaft geforderte Auflösung von 0.1 pm bei einem Messbereich von ± 2 mm kann mittels dieses Verfahrens bei einer fixen Aufteilung der iterativen Stützwerttabellen beispielsweise in 11 Schritten bereits nach 88 statt 40.000 Berechnungen erreicht werden. In einer möglichen Erweiterung der Erfindung ist es möglich, bei der Berechnung zur Bestimmung der räumlichen Lage des Laserstrahls auch die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts zur berücksichtigen, sodass erwartete Strahlpositionen abhängig von einer Wellenlänge der Bestrahlung berechnet werden können . Dies kann beispielsweise bei einer Bestrahlung mit 532 nm bei einem optischen Element, das für 1064 nm ausgelegt ist, erfolgen. Mittels einer derartigen Berechnung wird ein (theoretischer) Nutzwellenlängenbereich der erfindungsgemäßen Messanordnung deutlich vergrößert.

Die Detektionsanordnung 100 bzw. die Messanordnung, die in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben ist sowie das entsprechende Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls kann beispielsweise in einer Strahlstabilisierungsvorrichtung verwendet werden. Hierfür kann die Detektionsanordnung bzw. die Messanordnung eine räumliche Lage sowie eine Abweichung von der Lage eines Eingangslaserstrahls bestimmen. Über entsprechend steuerbare Spiegel oder sonstige strahlformende oder ablenkende optische Elemente kann (bei detektierter Abweichung von einer Soll -Lage) der Laserstrahl auf seine Soll-Lage zurück justiert werden.

Bezuqszeichenliste

100 Detektionsanordnung

L (Eingangs-)Laserstrahl bzw. zu untersuchender Laserstrahl

10 Strahldetektor

11 Detektionsfläche

20 optisches Element

21 Eintrittsebene des optischen Elements

Li erster Teilstrahl

L₂ zweiter Teilstrahl

L_n weiterer Teilstrahl

Claims

Ansprüche Detektionsanordnung (100) zur Detektion der räumlichen Lage eines Laserstrahls (L), Folgendes umfassend:

- einen Strahldetektor (10) mit einer, insbesondere einer einzigen, Detektionsfläche (11);

- ein optisches Element (20), das derart ausgelegt ist, dass bei einem Auftreffen eines Laserstrahls (L) auf eine Eintrittsebene (21) des optischen Elements (20), der Laserstrahl (L) beim Durchlaufen des optischen Elements (20) in einen ersten Teilstrahl (Li) und einen zweiten Teilstrahl (L₂) zerlegt wird, derart, dass sich die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls (Li) und des zweiten Teilstrahls (L₂) in der Lage ihrer jeweiligen Fokalebene und vorzugsweise in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung unterscheiden, wobei die Detektionsanordnung (100) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die beiden Teilstrahlen (Li, L₂) auf die Detektionsfläche (11) des Strahldetektors (10) auftreffen. Detektionsanordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) ein diffraktives (holographisches) optisches Element (20) umfasst. Detektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) eine bifokale oder multifokale Linse (20) umfasst. Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Fokalebene des zweiten Teilstrahls (L₂) auf der oder in der Nähe von der Detektionsfläche (11) liegt. Detektionsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) derart ausgelegt ist, dass zusätzlich zu dem ersten (Li) und dem zweiten Teilstrahl (L₂) mindestens ein, vorzugsweise mindestens zwei, weiter vorzugsweise mindestens drei, weitere(r) Teilstrahl(en) (1_₃, L₄, L₅, ..., L_n) erzeugbar ist/sind, oder derart, dass eine Vielzahl von Teilstrahlen (Li, L₂, L₃, ..., L_n) erzeugbar ist/sind. Detektionsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) dabei derart ausgelegt ist,

- dass mehrere Teilstrahlen (Li, L₂, L₃, ..., L_n) unterschiedliche Propagationseigenschaften bezüglich der jeweiligen Lage der Fokalebene aufweisen, und/oder

- dass mindestens zwei Teilstrahlgruppen erzeugt werden, wobei eine erste Teilstrahlgruppe erste Teilstrahlen (Li, L₃, L₅) mit einer ersten Lage der jeweiligen Fokalebenen umfasst, und eine zweite Teilstrahlgruppe zweite Teilstrahlen (L₂, L₄, L₆) mit einer zweiten Lage der jeweiligen Fokalebenen umfasst. Detektionsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (20) derart ausgelegt ist, dass die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls (Li) von dem optischen Element (20) im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben und/oder so, dass es den ersten Teilstrahl (Li) geringfügig fokussiert. Detektionsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahldetektor (10) einen, insbesondere einen einzigen, Bildsensor umfasst. Messanordnung zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls (L), umfassend:

- eine Detektionsanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie - eine Recheneinheit, die mit der Detektionsanordnung verbunden ist und die dazu ausgelegt ist, Positionen und/oder Positionsabweichungen der Teilstrahlen (Li, L₂, L₃, ..., L_n) auf der Detektionsfläche (11) zu bestimmen. Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage eines Laserstrahls (L), vorzugsweise unter Verwendung einer Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Messanordnung nach Anspruch 9, folgende Schritte umfassend: a) Trennen des Laserstrahls (L) in mindestens zwei Teilstrahlen (Li, L₂) mittels eines, insbesondere diffraktiven, optischen Elements (20), derart, dass sich die Propagationseigenschaften des ersten Teilstrahls (Li) und des zweiten Teilstrahls (L₂) in der jeweiligen Ausbreitungsrichtung und in der Lage ihrer Fokalebene unterscheiden; b) Detektieren der mindestens zwei Teilstrahlen (Li, L₂) des Laserstrahls (L) auf einer, insbesondere gemeinsamen, Detektionsfläche (11) eines Strahldetektors (10), vorzugsweise mit einem Bildsensor (10); c) Bestimmen der Positionen und/oder Positionsabweichungen der Teilstrahlen (Li, L₂) auf der Detektionsfläche (11) des Strahldetektors (10). Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

Schritt c) umfasst, aus Positionsabweichungen der mindestens zwei Teilstrahlen (Li, L₂) auf der Detektionsfläche (11) einen Versatz (Ax, Ay) sowie eine räumliche Verkippung (a, ß) des Laserstrahls (L) absolut zu bestimmen. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (Ax, Ay) und/oder die Verkippung (a, ß) des Laserstrahls (L) durch iteratives Minimieren eines Differenzwertes (5min) zwischen

- theoretischen relativen Positionsabweichungen der Teilstrahlen (Li, L₂) auf der Detektionsfläche (11), und

- gemessenen relativen Positionsabweichungen der Teilstrahlen (Li, L₂) auf der Detektionsfläche (11), durch Neuberechnen der theoretischen relativen Positionsabweichungen mit veränderten Parametern für Versatz (Ax, Ay) und/oder die Verkippung (a, ß) bestimmt wird/werden. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz von berechneten Positionsabweichungen der Teilstrahlen (Li, L₂) anhand eines jeweils vorab bestimmten bzw. gemessenen Referenzpunktes auf der Detektorfläche (11) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das iterative Minimieren unter Verwendung von Stützwerttabellen (LUT1, LUT2, LUT3) ausgeführt wird, die jeweils Stützwerte einer äquidistanten Schrittweite (ASi, AS₂, AS₃) enthalten, wobei in einem ersten Iterationsschritt S1 eine erste Stützwerttabelle (LUT1) verwendet wird, die eine erste Schrittweite (ASi) aufweist, und anhand der entsprechenden Stützwerte der ersten Stützwerttabelle (LUT1) der Differenzwert (5min) minimiert wird, wobei in einem zweiten Iterationsschritt S2 ein in Iterationsschritt S1 bestimmter best-fit-Stützwert (xi), für den der Differenzwert (5min) in Iterationsschritt S1 minimal ist bzw. wird, als Mittelpunkt in einer zweiten Stützwerttabelle (LUT2) verwendet wird, und Stützwertgrenzen entsprechend der dem best-fit-Stützwert (xi) angrenzenden Stützwerte (x.j, x_+i) der ersten Stützwerttabelle (LUT1) gewählt werden, und die Stützwerte der zweiten Stützwerttabelle (LUT2) zwischen diesen Stützwertgrenzen verwendet werden, um den Differenzwert (5min) zu minimieren, wobei eine zweite Schrittweite (AS₂) der zweiten Stützwerttabelle (LUT2) kleiner ist als die erste Schrittweite (ASi) der ersten Stützwerttabelle (LUT1). Computerlesbares (Speicher-)Medium, das Anweisungen enthält, die, wenn sie von einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 auszuführen.