用于表征尤其激光辐射的辐射场的测量装置和方法制造方法及图纸

一种用于表征辐射场（1）的辐射场测量装置（100），所述辐射场在纵向方向（z）上穿过介质（2），所述辐射场测量装置包括：具有至少一个探测器摄像机（11）的探测器装置（10），所述探测器摄像机包含至少一个探测器阵列（12），所述至少一个探测器阵列用于散射辐射（3）的图像记录，所述散射辐射在所述介质中通过所述辐射场（1）产生并且朝多个侧向方向定向，所述多个侧向方向与所述纵向方向（z）偏离；和重建装置（20），用于基于所述探测器装置（10）的图像信号来表征所述辐射场（1），其中，所述重建装置（20）被设置用于层析重建在所述辐射场（1）中的散射辐射（3）的场密度。也描述了辐射场测量装置的应用和一种在使用辐射场测量装置（100）的情况下表征辐射场（1）的方法，所述辐射场在纵向方向（z）上穿过介质（2）。

Measuring device and method for characterizing radiation field, especially laser radiation

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于表征尤其激光辐射的辐射场的测量装置和方法
本专利技术涉及一种用于基于散射辐射的检测来表征电磁辐射、尤其激光辐射的辐射场的辐射场测量装置和方法，所述散射辐射在介质中产生辐射场。本专利技术的应用在于：辐射源的、尤其用于材料加工的激光源的监视和/或控制和例如用于材料加工或测量目的的基于辐射的方法的监视和/或控制。
技术介绍
众所周知，例如用于材料加工或测量目的的基于辐射的方法的效果和准确性取决于应用在基于辐射的方法中的辐射场的几何特性和/或场特性。例如，通过使激光辐射的焦点形成在材料的表面上来影响借助激光辐射的材料加工的效果。因此，一般地，存在对辐射场的研究（测量）的兴趣，以便检测辐射场的特性并且必要时控制辐射源，使得产生具有预先确定的特性的辐射场。用于研究辐射场的常规方法包括侵入式方法和非侵入式方法。侵入式方法，诸如借助摄像机直接地检测辐射场，具有以下缺点：摄像机的应用改变要研究的辐射场。结果，辐射场的所期望的作用可能被损害或暂时地甚至被排除。例如，在激光切割设施的或激光焊接设施的在线监视时，应避免工作射束的光分布的影响或损坏。即使要研究的辐射场的仅仅一部分从主射束分离并且单独地被研究（例如见DE10149823A1），用于分离的光学器件例如可能由于污物而损害主射束的应用。此外，侵入式方法限于具有低的功率密度的辐射场的研究。要研究的辐射场的射束路径中的光学器件、诸如反射镜、棱镜、过滤器和/或透镜可能在高的功率密度下损坏。出于该原因，通常不可能的是，例如借助侵入式方法直接研究激光辐射的焦点处的辐射场。最后，尤其在单色辐射的情况下（例如在cw-激光的情况下）测量辐射场的侵入式方法倾向于通过在光学器件、例如透镜面上的缺陷或污物处的衍射引起的伪影，这可能导致干扰，是几乎不可避免的并且损害测量的准确性。非侵入式方法具有以下优点：它们尤其可应用在高的辐射强度的情况下并且要研究的辐射场不受测量影响。例如，在US8988673B2中描述一种非侵入式方法，其中，激光射束的散射光在穿过气体时借助摄像机记录，以便测量扇形射束（整个射线束）的形状。借助所述方法，测量2D-散射辐射图像，所述2D-散射辐射图像是激光射束的强度分布在平行于射束方向的平面上的投影。根据US8988673B2的方法具有以下缺点：既不能够求取横轴向的2D-截面，又不能够求取激光射束的3D-体积重建。借助根据US8988673B2的方法，例如通过使摄像机沿着预给定的线性轮廓重复地行进，可以实现辐射场的2D-投影的序列。然而，单个的光脉冲的测量因此是不可能的。用于研究辐射场的传统技术的一般性问题在于，所述技术限于各个特性的检测并且不适合于通过仅仅一次测量来完整地表征辐射场。用于同时求取辐射场的多个参数——诸如强度分布、焦散面、M2-参数、射束传播、波前、波长和偏振特性和/或射束形状——的非侵入式方法尤其是未知的。辐射场的多个特性的同时检测迄今仅仅通过不同测量方法的组合或时间上彼此相继的应用来实现，这提高了研究的复杂性。此外，多个测量可能通过它们对辐射场的相应影响而相互负面地影响并且由此损害或者甚至排除辐射场的精确表示。最后，时间上彼此相继的测量的应用限于不变的辐射场并且不适合于研究例如各个激光脉冲或暂态的光分布。
技术实现思路
本专利技术的任务是，提供用于表征电磁辐射、尤其激光辐射的辐射场的改善的辐射场测量装置和改善的方法，借助它们避免传统技术的缺点。本专利技术尤其应能够实现：非侵入式地检测辐射场的更多特性，和/或，以提高的位置分辨率、准确性和/或可重复性表征所述辐射场，和/或，实现辐射场的表征的新的应用。此外，尤其应通过应用尽可能仅仅一种测量方法来实现辐射场的尽可能完整的测量和重建。这尤其应通过一个单测量或时间分辨的多个单测量可实现。此外，辐射场测量装置的特征尤其应在于简化的技术结构和/或扩展的应用领域。根据本专利技术的一般性的第一观点，所述任务通过一种用于表征辐射场的辐射场测量装置（也称作散射辐射层析摄影仪）来解决，所述辐射场在纵向方向（射束方向）上穿过介质，所述辐射场测量装置包括探测器装置和（层析）重建装置。探测器装置具有至少一个探测器摄像机，所述至少一个探测器摄像机具有至少一个探测器阵列，所述至少一个探测器阵列被布置用于散射辐射的图像记录，所述散射辐射在所述介质中通过所述辐射场产生并且朝多个侧向方向（旋转方向）定向，所述多个侧向方向与所述纵向方向偏离。根据本专利技术，重建装置被设置用于在使用探测器装置的图像信号的情况下借助计算机层析地、位置分辨地重建（在此称作层析重建）辐射场中的散射辐射的场密度（能量或功率密度、空间分布）来表征所述辐射场。辐射场的表征一般包括散射辐射的场密度的求取以及优选地包括辐射场的射束参数、尤其几何射束参数和/或场射束参数的求取和/或介质中的散射颗粒的分布的求取。散射辐射的场密度是辐射场中的强度分布的函数并且因此尤其允许提供所寻找的射束参数。如果由单色的辐射场产生瑞利散射，则散射辐射与辐射场中的强度分布成比例。对于多色的辐射场的情况，在以下前提下同样产生一个比例：所探测的光谱分布没有在辐射场的测量体积中在空间上发生变化并且尤其辐射场的强度I可根据I（λ,r）=Ι1（λ）*I2（r）进行因子分解。最后的前提可以例如通过以下方式来满足：探测器装置配备有光谱选择性地有效的过滤器，所述过滤器允许辐射场的部分谱范围通过。如果辐射场的散射强度是辐射场强度的线性函数，则除校准因子以外，基于散射辐射的层析重建得出辐射场的2D-强度分布或3D-强度分布。在其他的散射过程中，同样可以通过校准测量或应用散射模型来求取散射辐射的场密度与在辐射场中的强度分布之间的定量的关联性。根据本专利技术的一般性的第二观点，所述任务通过在控制辐射场的焦点、检测所述辐射场的强度轮廓在时间上的漂移、表征高能量激光的辐射场、切割与接合技术中的激光支持的材料加工、半导体技术中的制造或者借助激光辐射的治疗和/或外科手术，和/或监视和/或控制基于辐射的过程，例如在控制辐射源、尤其激光源中监视和/或控制基于辐射的过程中使用根据本专利技术的一般性的第一观点的辐射场测量装置来解决。根据本专利技术的第二观点，用于辐射源的尤其包括层析重建设备的控制设备尤其被视为本专利技术的独立的主题。根据本专利技术的一般性的第三观点，所述任务通过一种用于在使用根据本专利技术的一般性的第一观点的辐射场测量装置的情况下表征辐射场的方法来解决，所述辐射场在纵向方向上穿过介质，其中规定：借助探测器装置进行散射辐射的图像记录，所述散射辐射在所述介质中通过所述辐射场产生并且朝多个侧向方向定向，所述多个侧向方向与所述纵向方向偏离，并且在使用探测器装置的图像信号的情况下借助重建装置表征辐射场，并且其中，重建装置实施辐射场中散射辐射的场密度的层析的位置分辨的重建。本专利技术一般能够实现不相干辐射或相干辐射（激光辐射）的定向辐射场的表征。优选规定表征激光辐射，因为该激光辐射有利于以高的信噪比重建散射辐射的场密度。辐射场可以是连续的辐射场（连续运行，cw-运行）或脉冲式辐射场（脉冲运行），其中，作为场密度在连续运行中重建功率密度并且在脉冲运行中重建散射辐射的能量密度。散射辐射由散射场在介质中产生，所述介质一般包括散射物质、尤其至少一种气体（或蒸汽）——例如空气或其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种辐射场测量装置（100），所述辐射场测量装置被配置用于表征辐射场（1），所述辐射场在纵向方向（z）上穿过介质（2），所述辐射场测量装置包括：‑ 具有至少一个探测器摄像机（11）的探测器装置（10），所述探测器摄像机包含至少一个探测器阵列（12），所述至少一个探测器阵列被布置用于散射辐射（3）的图像记录，所述散射辐射在所述介质中通过所述辐射场（1）产生并且朝多个侧向方向定向，所述多个侧向方向与所述纵向方向（z）偏离，和‑ 重建装置（20），所述重建装置被设置用于基于所述探测器装置（10）的图像信号来表征所述辐射场（1），其特征在于，‑ 所述重建装置（20）被设置用于层析重建所述辐射场（1）中的散射辐射（3）的场密度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种辐射场测量装置（100），所述辐射场测量装置被配置用于表征辐射场（1），所述辐射场在纵向方向（z）上穿过介质（2），所述辐射场测量装置包括：-具有至少一个探测器摄像机（11）的探测器装置（10），所述探测器摄像机包含至少一个探测器阵列（12），所述至少一个探测器阵列被布置用于散射辐射（3）的图像记录，所述散射辐射在所述介质中通过所述辐射场（1）产生并且朝多个侧向方向定向，所述多个侧向方向与所述纵向方向（z）偏离，和-重建装置（20），所述重建装置被设置用于基于所述探测器装置（10）的图像信号来表征所述辐射场（1），其特征在于，-所述重建装置（20）被设置用于层析重建所述辐射场（1）中的散射辐射（3）的场密度。2.根据权利要求1所述的辐射场测量装置，其中，所述重建装置（20）被设置用于非解析性地、尤其统计学地或代数地层析重建所述散射辐射（3）的场密度。3.根据权利要求2所述的辐射场测量装置，其中，所述重建装置（20）被设置用于借助迭代算法层析重建所述散射辐射（3）的场密度。4.根据权利要求2或3所述的辐射场测量装置，其中，所述重建装置（20）被设置用于统计学地层析重建所述散射辐射（3）的场密度，其中，所述统计学的层析重建基于具有待最小化的目标函数的统计学模型，所述目标函数的层析式数据不匹配项考虑测量数据的噪声特性。5.根据权利要求4所述的辐射场测量装置，其中，所述重建装置（20）被设置用于基于待最小化的目标函数统计学地层析重建所述散射辐射（3）的场密度，所述目标函数包含具有0≤p<2的Lp-范数-项和/或贝叶斯式正则化项。6.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，为了散射辐射（3）的图像记录，所述至少一个探测器阵列（12）布置成，使得所述方位角如下这样分布，使得所记录的散射辐射（3）的垂直于所述纵向方向（z）延伸的分量撑开180°至360°的测量区域。7.根据权利要求6所述的辐射场测量装置，其中，为了散射辐射（3）的图像记录，所述至少一个探测器阵列（12）布置成，使得所记录的散射辐射（3）的垂直于所述纵向方向（z）延伸的分量在偶数个侧向方向和在360°上的测量区域的情况下不均匀分布地布置、否则均匀分布地布置。8.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）被配置用于在至少二个侧向方向、尤其至少三个侧向方向上的散射辐射（3）的图像记录。9.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）被布置用于在径向方向上的散射辐射（3）的图像记录。10.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）被配置用于所述散射辐射（3）的光谱选择性的图像记录。11.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述重建装置（20）被设置用于层析重建所述散射辐射（3）的场密度的层片段，所述场密度的层片段可转变成所述辐射场（1）的二维的强度分布。12.根据权利要求11所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）包括线探测器阵列（12）。13.根据权利要求1至10中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述重建装置（20）被设置用于在包括彼此排列的至少两个层片段的三维的体积片段中层析重建所述散射辐射（3）的场密度。14.根据权利要求13所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）包括面探测器阵列（12）。15.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）包括多个探测器摄像机（11），所述多个探测器摄像机分别具有至少一个探测器阵列（12）。16.根据权利要求中1至14中任一项所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）包括唯一的探测器摄像机（11），所述探测器摄像机包含多个探测器阵列（12），所述多个探测器阵列分别布置用于在所述侧向方向之一上的散射辐射（3）的图像记录。17.根据权利要求15或16所述的辐射场测量装置，其中，设有偏转装置（30），所述偏转装置被布置用于使所述散射辐射（3）沿着所述多个侧向方向偏转到所述至少一个探测器摄像机（11）上。18.根据权利要求17所述的辐射场测量装置，其中，所述偏转装置（30）包括至少一个反射光学元件（31，32，33）和/或至少一个折光元件（35）。19.根据权利要求18所述的辐射场测量装置，其中，所述至少一个反射光学元件包括多个反射器区段（31，33），所述多个反射器区段分别布置用于使所述散射辐射（3）沿着所述侧向方向之一偏转至所述探测器阵列（12）之一。20.根据权利要求19所述的辐射场测量装置，其中，所述探测器装置（10）包括唯一的探测器摄像机（11），以及所述至少一个反射光学元件包括收集反射器（32），所述收集反射器被布置用于使所述散射辐射（3）从所述反射器区段（31，33）偏转至探测器摄像机（11）。21.根据权利要求19或20所述的辐射场测量装置，其中，所述反射器区段包括各个反射镜（31）或一个轴棱锥反射器（33），所述轴棱锥反射器布置成相对于所述纵向方向（z）轴向对称。22.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，所述辐射场测量装置包括：-具有可旋转的棱镜、尤其达夫棱镜（41）和/或反射镜的射束旋转装置（40），所述射束旋转装置被设置用于使所述辐射场（1）绕所述纵向方向（z）旋转，其中，-所述探测器装置（10）包括唯一的探测器摄像机（11），所述探测器摄像机被布置用于散射辐射（3）的图像记录，以及-为了在多个侧向反向上的散射辐射（3）的图像记录，所述辐射场（1）借助所述射束旋转装置相对于所述探测器摄像机（11）可旋转到不同的旋转位置上。23.根据以上权利要求中任一项所述的辐射场测量装置，其中，设有分析仪装置（21），所述分析仪装置被设置用于基于所述散射辐射（3）的场密度求取所述辐射场（1）的至少一个射束参数。24.根据权利要求23所述的辐射场测量装置，其中，所述分析仪装置（21）被设置用于求取以下射束参数中的至少一个，所述射束参数包括：在脉冲式辐射场（1）的情况下所述辐射场（1）的脉冲能量或脉冲能量密度，在连续的辐射场（1）的情况下所述辐射场（1）的场密度，所述辐射场（1）的几何特性、尤其射束直径，发散角和/或射束形状，所述辐射场（1）的射束腰的特性、尤其半径、沿着所述纵向方向（z）的位置和/或在横轴向的切割中焦点的形状、在所述介质（2）中所述辐射场（1）的空间位置，所述辐射场（1）的相干特性，所述辐射场（1）的波前，所述辐射场（1）的瑞利长度，以及所述辐射场（1）的衍射指数，M2和射束传播因子。25.根据权利要求23或24所述的辐射场测量装置，其中，所述分析仪装置（21）被设置用于时间上连续地求取所述至少一个射束参数和其在时间上的稳定性。26.根据权利要求24或25所述的辐射场测量装置，其中，所述分析仪装置（21）被设置用于尤其借助波前分析来计算射束传播。27.根据权利要求26所述的辐射场测量装置，其中，所述分析仪装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：F基利奇，U恩格兰德，
申请(专利权)人：美天旎生物技術有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE