DE102019207387A1

DE102019207387A1 - Optische Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten einer Probe, optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe und Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung

Info

Publication number: DE102019207387A1
Application number: DE102019207387.5A
Authority: DE
Inventors: Benedikt STEIN; Eugen Baumgart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-11-26
Also published as: CN111982279A; FR3096454A1; FR3096454B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Beleuchtungseinrichtung (1) zum Beleuchten einer Probe (4) umfassend eine Laserlichtquelle (2), einen Umlenkspiegel (3), welcher durch die Laserlichtquelle (2) bestrahlbar ist und um zumindest eine Achse drehbar ist; ein optisches fokussierendes Element (FE), welches zwischen der Laserlichtquelle (2) und dem Umlenkspiegel (3) angeordnet ist, - einen Träger (5) mit einer wellenlängenkonvertierenden Schicht (6), welche derart angeordnet ist, dass das Laserlicht vom Umlenkspiegel (3) auf die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) lenkbar ist, wobei der Träger (5) für das Laserlicht (L) und/oder für ein von der wellenlängenkonvertierende Schicht (6) wellenlängenkonvertiertes Licht (LK) durchlässig ist, wobei Laserlicht von der Laserlichtquelle (2) durch das optische fokussierende Element (FE) über den Umlenkspiegel (3) auf der wellenlängenkonvertierende Schicht (6) fokussierbar ist; und eine Projektionsoptik (7), mittels welcher das wellenlängenkonvertierte Licht (LK) auf der Probe (4) in einem Fokalpunkt der Projektionsoptik (7) bündelbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten einer Probe, eine optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung.
Stand der Technik
Hyperspektrale Bildgebungsverfahren und derartige Einrichtungen nutzen üblicherweise eine zweidimensionale Bildsensorik (beispielsweise unter Anwendung einer Sensormatrix) sowie optische Abbildungskomponenten zum Abbilden einer Probe, wobei die Probe mit Umgebungslicht oder mit Licht einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet wird. Eine spektrale Aufspaltung des von der Probe reflektierten Lichts kann mittels eines Bandpassfilters vor dem Sensor erzeugt werden, wobei schmalbandige Filter als Filtermatrix genutzt werden können. Eine Vielzahl von gleichen Bildern kann beispielsweise mittels Mikrolinsen auf dem Sensor erzeugt werden, die mit Filtern in vorgesehener Größe jeweils spektral separiert werden. Ein Bild kann auch auf dem gesamten Sensor erzeugt werden, wobei vor jedem Pixel des Sensors ein Spektralfilter angeordnet sein kann welcher jeden Punkt des abzubildenden Bildes in einem jeweiligen Detektionskanal (Spektralkanal) detektieren kann. Alternativ kann ein Bild auf dem gesamten Sensor abgebildet werden und in einem Bereich ein durchstimmbarer Filter platziert werden, so dass das Bild sequentiell in unterschiedlichen spektralen Kanälen aufgenommen wird. Üblicherweise können linear variable Filter (LVF) verwendet werden, wobei dann zwischen dem linear variablen Filter und dem Sensor eine Anordnung (Array) von Mikrolinsen platziert werden kann, um den Spektralkanälen zugehörige kleiner Bilder (Vielzahl) zu erzeugen. Die Anordnung und Bereitstellung einer derartigen Sensormatrix kann insbesondere im nahinfraroten und infraroten Wellenlängenbereich, bedingt durch das notwendige Material (beispielsweise InGaAs), sehr teuer sein, insbesondere im Vergleich zu Silizium für sichtbare Wellenlängen. Eine Kombination aus Konvertermaterialien, welche mit einem Laser beleuchtet werden sollen und Mikrospiegeln befindet sich derzeit noch in der Entwicklung, zum Beispiel zur Realisierung von Laserscheinwerfern.
In der EP 1882917 A1 wird ein mit mikromechanischen Mitteln gefertigtes Dualband-Fabry-Perot-Filter beschrieben, das als durchstimmbares Bandpassfilter in der Infrarot-Messtechnik eingesetzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten einer Probe nach Anspruch 1, eine optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe nach Anspruch 8, und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung nach Anspruch 12.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine optische Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten einer Probe, eine optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe und ein Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung anzugeben, bei welchen eine hyperspektrale Bildgebung und damit verbundene Probenanalyse verbessert wird und als kostengünstige Alternative zu bekannten Ausführungen dienen kann, insbesondere für den Nahinfrarot-Bereich. Die Beleuchtungs- sowie Analyseeinrichtung eignet sich vorteilhaft zur Integration in ein miniaturisiertes Spektrometer. Mit der Anwendung von Laserlicht können hohe Lichtleistungen genutzt werden und hohe Auflösungen eines zu analysierenden Bereichs an der Probe erzielt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten einer Probe eine Laserlichtquelle, einen Umlenkspiegel, welcher durch die Laserlichtquelle bestrahlbar ist und um zumindest eine Achse drehbar ist; ein optisches fokussierendes Element, welches zwischen der Laserlichtquelle und dem Umlenkspiegel angeordnet ist, einen Träger mit einer wellenlängenkonvertierenden Schicht, welche derart angeordnet ist, dass das Laserlicht vom Umlenkspiegel auf die wellenlängenkonvertierende Schicht lenkbar ist, wobei der Träger für das Laserlicht und/oder für ein von der wellenlängenkonvertierende Schicht wellenlängenkonvertiertes Licht durchlässig ist, wobei Laserlicht von der Laserlichtquelle durch das optische fokussierende Element über den Umlenkspiegel auf der wellenlängenkonvertierenden Schicht fokussierbar ist; und eine Projektionsoptik, mittels welcher das wellenlängenkonvertierte Licht auf der Probe in einem Fokalpunkt der Projektionsoptik bündelbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinrichtung umfasst diese ein Gehäuse, wobei die Laserlichtquelle, der Umlenkspiegel, der Träger und die Projektionsoptik in dem Gehäuse angeordnet sind und/oder in diesem eingefasst sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinrichtung umfasst die Laserlichtquelle einen Kantenemitter oder einen vertikalen Kavitätsemitter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinrichtung ist der Umlenkspiegel um zwei zueinander verschieden orientierte Achsen bewegbar, so dass mit dem Laserlicht eine Ebene der wellenlängenkonvertierenden Schicht überstreichbar ist und dadurch der Fokalpunkt der Projektionsoptik über die Probe bewegbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinrichtung ist das Laserlicht durch die wellenlängenkonvertierende Schicht in einen Nah-Infrarot oder Infrarot-Wellenlängenbereich konvertierbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinrichtung sind die Laserlichtquelle und der Umlenkspiegel in Modulbauweise auf einer Leiterplatte montiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Beleuchtungseinrichtung umfasst diese eine Steuereinrichtung und/oder Sensoreinrichtung, mittels welcher zumindest ein Auslenkwinkel des Umlenkspiegels einstellbar und erkennbar ist.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe eine erfindungsgemäße optische Beleuchtungseinrichtung mit welcher die Probe mit einem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlbar ist; eine Spektrometereinrichtung, mit welcher ein von der Probe reflektiertes Licht empfangbar und spektral analysierbar ist.
Durch den in Position auf der Oberfläche der Probe veränderbaren Fokalpunkt kann ein bestimmter Bereich auf der Oberfläche der Probe abgerastert werden und Informationen aus dem reflektierten oder transmittierten Licht in diesem Bereich durch die Spektralanalyse gewonnen werden. Aus Der Position des Bildpunktes und Ausrichtung des Umlenkspiegels, sowie möglicherweise auch dessen Position, kann auf eine Position des Fokalpunktes auf der Probe rückgeschlossen werden.
Die Analyseeinrichtung kann in miniaturisierter Bauweise ausgeführt werden und/oder in einem optischen Bauteil integriert werden, wobei unter miniaturisiert eine Größe vergleichbar mit den Ausmaßen einer Streichholzschachtel und kleiner verstanden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Analyseeinrichtung sind die Spektrometereinrichtung und die Beleuchtungseinrichtung im gleichen Gehäuse angeordnet und eine Detektionsoptik ist im Gehäuse eingefasst, mittels welcher das reflektierte Licht auf die Spektrometereinrichtung lenkbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Analyseeinrichtung umfasst die Spektrometereinrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Analyseeinrichtung umfasst diese eine Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, den Umlenkspiegel derart zu bewegen, dass das wellenlängenkonvertierte Licht im Fokalpunkt der Projektionsoptik einen bestimmten Bereich der Probe überstreicht und die Spektrometereinrichtung derart zu betreiben, dass ein Spektrum von einem jeweiligen mit dem wellenlängenkonvertierten Licht bestrahlten Punkt des von diesem Punkt reflektierten Lichts erzeugt wird; und aus Kenntnis des zum Bestrahlen dieses Punktes eingestellten zumindest einen Auslenkwinkels des Umlenkspiegels eine Position des Punktes auf der Probe identifizierbar ist und aus Spektren von einer Vielzahl von Punkten ein Hyperspektralbild des bestimmten Bereichs der Probe erzeugbar ist.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen optischen Analyseeinrichtung; ein Bestrahlen des Umlenkspiegels mit Laserlicht von der Laserlichtquelle; ein Bewegen des Umlenkspiegels um zumindest eine Achse und dadurch Variieren zumindest eines Auslenkwinkels gegenüber einer Normalen auf dieser Achse; ein Bestrahlen der wellenlängenkonvertierenden Schicht und Bewegen des Fokalpunkts der Projektionsoptik über einen bestimmten Bereich der Probe; und ein Empfangen des von dem bestimmten Bereich reflektierten Lichts und Detektieren eines Spektrums von einem jeweilig bestrahlten Punkt auf der Probe durch die Spektrometereinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach dem Detektieren des Spektrums eine Kenntnis über eine Position des Punktes auf der Probe dazu verwendet, ein Hyperspektralbild von dem bestimmten Bereich zu erstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Kenntnis über die Position des Punktes durch einen jeweiligen Auslenkwinkel des Umlenkspiegels ermittelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst der bestimmte Bereich eine Fläche oder eine Trajektorie.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Laserlichtquelle mit der Zeit moduliert und ein Ausgangssignal der Spektrometereinrichtung wird mit einem Korrelationssignal gemischt und über ein Korrelationsverfahren wird ein Hintergrundlichtanteil des reflektierten Lichts berücksichtigt.
Das Verfahren kann sich auch durch die bereits in Verbindung mit den Interferometereinrichtung genannten Merkmalen und deren Vorteilen auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer optischen Analyseeinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und
2 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer optischen Analyseeinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Die optische Analyseeinrichtung 10 zum Beleuchten und Analysieren einer Probe 4 umfasst eine erfindungsgemäße optische Beleuchtungseinrichtung 1 mit welcher die Probe 4 mit einem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlbar ist; eine Spektrometereinrichtung 20, mit welcher ein von der Probe 4 reflektiertes Licht LR empfangbar und spektral analysierbar ist.
Die optische Beleuchtungseinrichtung 1 zum Beleuchten einer Probe 4 umfasst eine Laserlichtquelle 2, einen Umlenkspiegel 3, welcher durch die Laserlichtquelle 2 bestrahlbar ist und um zumindest eine Achse drehbar ist; ein optisches fokussierendes Element FE, welches zwischen der Laserlichtquelle 2 und dem Umlenkspiegel 3 angeordnet ist; einen Träger 5 mit einer wellenlängenkonvertierenden Schicht 6, welche derart angeordnet ist, dass das Laserlicht vom Umlenkspiegel 3 auf die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 lenkbar ist, wobei der Träger 5 für das Laserlicht L und/oder für ein von der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 wellenlängenkonvertiertes Licht LK durchlässig ist, wobei Laserlicht von der Laserlichtquelle 2 durch das optische fokussierende Element FE über den Umlenkspiegel 3 auf der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 fokussierbar ist; und eine Projektionsoptik 7, mittels welcher das wellenlängenkonvertierte Licht LK auf der Probe 4 in einem Fokalpunkt FP der Projektionsoptik 7 bündelbar ist.
Auf der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 kann das Laserlicht von der Laserlichtquelle 2 teilweise fokussiert sein, also noch eine makroskopische Ausdehnung in einem Bildpunkt BP umfassen, oder genau im Fokus des optisch fokussierenden Elements FE liegen. Vorteilhaft kann hingegen Licht von jedem Punkt der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 genau in dem Fokalpunkt FP auf der Probe 4 gebündelt werden. Der Bildpunkt BP kann beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 100 µm umfassen und somit vorteilhaft als eine sehr kleine und breitbandige Lichtquelle mit einem geringen Etendue wirken.
Die Beleuchtungseinrichtung 1 kann ein Gehäuse 8 umfassen, wobei die Laserlichtquelle 2, der Umlenkspiegel 3, der Träger 5 und die Projektionsoptik 7 in dem Gehäuse 8 angeordnet sein können und/oder in diesem eingefasst sein können.
Die Analyseeinrichtung 10 kann im gleichen Gehäuse 8 mit der Beleuchtungseinrichtung 1 angeordnet sein und eine Detektionsoptik 11 (etwa eine Photodiode) kann im Gehäuse 8 eingefasst sein, mittels welcher das reflektierte Licht LR auf die Spektrometereinrichtung 20 lenkbar sein kann. Die Analyseeinrichtung 10 kann jedoch auch mehrere Komponenten an räumlich unterschiedlichen Bereichen umfassen, beispielsweise dass die Probe zwischen der Beleuchtungseinrichtung und zwischen der Spektrometereinrichtung angeordnet sein kann, um ein transmittiertes Licht durch die Probe messen zu können (nicht gezeigt).
Das an der Probenoberfläche (oder nach teilweisem Eindringen in das Material der Probe) reflektierte (gestreute) oder transmittierte Licht kann nach einer Absorption von bestimmten für die Stoffe in der Probe charakteristischen Absorptionswellenlängen (charakteristische Absorption für chemische Struktur), eine spektrale Signatur tragen.
Dieses Licht kann durch die Spektrometereinrichtung detektiert und die Absorptionswellenlängen detektiert (erkannt) werden, woraus Informationen über die Zusammensetzung der Probe erhalten werden können, wenn das erhaltene spektrale Bild (Absorptionsspektrum) für jeden Punkt oder nur bereichsweise von der Oberfläche der Probe mit bekannten Absorptionsspektren, beispielsweise mit einer chemometrischen Analyse und einem Vergleich von Datenbanken, analysiert werden kann. Wird die Probe mit Licht bekannter Wellenlängen in einem lokalen Punkt (Fokalpunkt) über einen bestimmten Bereich abgerastert und der Punkt über die bestimmte Fläche bewegt und dabei das reflektierte oder transmittierte Licht von diesem Punkt analysiert, kann unter Zuordnung der erhaltenen Informationen zum jeweiligen Punkt auf der Probe ein hyperspektrales Bild von dieser erzeugt werden.
Die Spektrometereinrichtung 20 kann ein Ein-Punkt-Spektrometer, etwa ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) umfassen. Das von der Probe 4 in die Spektrometereinrichtung 20 reflektierte Licht kann von einer einzelnen Photodiode detektiert werden, die Spektrometereinrichtung eine Photodiode 11 umfassen, welche dem FPI nachgeordnet sein kann. Die Detektion des reflektierten Lichts von der Probe 4 kann mit der Bewegung des Umlenkspiegels abgeglichen und synchronisiert werden, vorteilhaft durch die Steuereinrichtung SE, wodurch in weiterer Folge sequentiell eine zweidimensionale spektrale Karte von der Probe 4 erstellt werden kann. Es ist des Weiteren möglich, ein konventionelles Bild der Probe 4 (etwa eine bildgebende Kameraaufnahme) mit der spektralen Karte zu überlagern und eine weiterführende Analyse mit Bilderkennungsalgorithmen zu kombinieren. Das Blickfeld (Field of view FOV) der Spektrometereinrichtung 20, etwa einer Objektivoptik der Spektrometereinrichtung 20, ist vorteilhaft zumindest so groß um die gesamte und gewünschte ein- oder zweidimensionale Bewegungsausmaße des Fokalpunktes FP zu umfassen und aufnehmen zu können. Die Bewegung des Fokalpunktes kann entlang einer Trajektorie oder Fläche auf der Probe erfolgen. Durch den in Position auf der Oberfläche der Probe veränderbaren Fokalpunkt kann ein bestimmter Bereich auf der Oberfläche der Probe abgerastert werden und Informationen aus dem reflektierten oder transmittierten Licht in diesen Bereich durch die Spektralanalyse gewonnen werden. Aus der Position des Bildpunktes BP und Ausrichtung des Umlenkspiegels, sowie möglicherweise auch dessen Position, kann auf eine Position des Fokalpunktes FP auf der Probe rückgeschlossen werden. Des Weiteren kann aus einer Kenntnis der Stellung des Umlenkspiegels, also dessen Winkel gegenüber einer Normalen auf eine seiner Bewegungsachse(n), und eines Einfallswinkels auf die Probe oder die Spektrometereinrichtung, auf die Position des Fokalpunktes FP auf der Probe 4 geschlossen werden. Folglich kann mit der Bewegung eine Punkt für Punkt Rasterung erfolgen. Erfolgt eine Rasterung entlang einer Trajektorie, kann diese unterschiedliche Formen umfassen. Eine zweidimensionale Rasterung (etwa bei Bewegung des Umlenkspiegels in zweiter Dimension/Winkel oder Bewegung der gesamten Analyseeinrichtung) kann auch Zeile für Zeile und Punkt für Punkt erfolgen. Die Trajektorie kann auch einer Kreisform oder runden Form entsprechen. Dadurch könnten abschnittsweise Stichproben entlang der runden Trajektorie, etwa Probeninhomogenitäten, erfasst werden, und auf eine vollflächige Rasterung verzichtet werden. Dies kann die Zeit der Analyse deutlich verringern. Die Spektrometereinrichtung kann als ein Mikrospektrometer ausgeformt sein. Beispielsweise kann es in Haushaltsgeräten, etwa auch zur Milchanalyse, oder in anderen Bereichen verwendet werden.
Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 kann Licht beispielsweise über Fluoreszenz erzeugen und zumindest einen Phosphor umfassen, welcher durch das Laserlicht zu breitbandiger Emission anregbar sein kann.
Die Laserlichtquelle 2 kann einen Kantenemitter oder einen vertikalen Kavitätsemitter (VCSEL) umfassen. Die Laserlichtquelle 2 kann vorteilhaft auf eine besonders effiziente Konversionswellenlänge des Materials der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 ausgeformt sein.
Der Umlenkspiegel 3 kann um zwei zueinander verschieden orientierte Achsen bewegbar sein, so dass mit dem Laserlicht L eine Ebene der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 überstreichbar ist und dadurch der Fokalpunkt FP der Projektionsoptik 7 über die Probe 4 bewegbar ist. Somit kann ein zweidimensionaler Bereich der Probe abgefahren werden. Das Laserlicht L durch die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 kann in einen Nah-Infrarot oder Infrarot-Wellenlängenbereich konvertierbar sein, vorteilhaft durch die wellenlängenkonvertierende Schicht 6. Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 kann des Weiteren auch mehrere Schichten und/oder eine konvertierende Platte umfassen. Der Fokalpunkt FP kann ein konjugierter Punkt zum Bildpunkt BP sein.
Des Weiteren kann die Laserlichtquelle 1 und der Umlenkspiegel 3 in Modulbauweise auf einer oder jeweils einer Leiterplatte 9 montiert werden. Die Leiterplatte kann eine PCB-Platte sein (printed circuit board) mit Leiterbahnen (flexlead). Der Träger 5 kann eine Glasplatte umfassen. Die Glasplatte oder der Träger können einen Filter umfassen, oder ein Filter kann auf dieser aufgebracht oder angeordnet sein, welcher vorteilhaft nur konvertiertes Licht durchlassen kann. Anstatt des Filters auf dem Träger kann auch die Linse der Projektionsoptik 7 einen Filter umfassen, etwa ein entsprechend filterndes Material. Somit kann nach der Absorption an der Probe 4 das konvertierte Licht bei Reflexion in das Spektrometermodul das charakteristische Absorptionsspektrum des gesuchten Stoffes enthalten.
Die 1 zeigt diesbezüglich einen ersten Bereich der Leiterplatte 9 auf dem Boden des Gehäuses 8 und einen zweiten Bereich der Leiterplatte 9 auf einer Seitenwand des Gehäuses 8. Die beiden Bereiche der Leiterplatten können mit einem Kontaktdraht miteinander verbunden sein. In dem Beispiel aus der 1 kann die Laserlichtquelle 2 auf dem zweiten Bereich der Leiterplatte 9 an der Seitenwand und in einer bestimmten Höhe über dem Boden des Gehäuses 8 angeordnet sein, und in eine Kavität K1 hineinstrahlen, welche die Laserlichtquelle 2, den Umlenkspiegel 3 und den Träger 5 umfassen kann. Der Umlenkspiegel 3 kann mit einem Sockel 3a auf dem ersten Bereich der Leiterplatte 9 angeordnet sein, vorteilhaft drehbar. Die 1 zeigt lediglich die Drehmöglichkeit um einen Winkel, es sind jedoch auch Drehbewegungen um mehrere Winkel möglich.
Dieser Sockel 3a kann auch eine Steuereinrichtung SE und/oder eine Sensoreinrichtung SN umfassen, mittels welcher zumindest ein Auslenkwinkel des Umlenkspiegels einstellbar und erkennbar sein kann. Die Spektrometereinrichtung 20 ist in der 1 symbolisch als Bereich des Gehäuses 8 gezeigt. Das optische fokussierende Element FE kann auf der Laserlichtquelle 2 angeordnet sein, vorteilhaft in einem Abstrahlbereich der Laserlichtquelle 2 und das Licht L der Laserlichtquelle 2 zu einem Kegel (strahlformend, fokussierend) formen, dessen Beleuchtungspunkt, beispielsweise Fokus, auf die Oberfläche der wellenlängenkonvertierenden Schicht 6 lenkbar ist. Die wellenlängenkonvertierende Schicht 6 kann auf dem Träger 5 auf einer dem Umlenkspiegel 3 zugewandten und/oder (bei einer zweiten wellenlängenkonvertierenden Schicht) abgewandten Seite angeordnet sein.
Das optische fokussierende Element FE kann eine Linse oder ein diffraktives Element (DOE) umfassen.
Die Laserlichtquelle 2 kann mit (über) der Zeit moduliert werden und ein Ausgangssignal der Spektrometereinrichtung 20 (an den Detektor) kann mit einem Korrelationssignal gemischt werden (etwa in einer Steuereinrichtung oder Auswerteeinrichtung gespeichertes/erzeugtes Korrelationssignal) und über ein Korrelationsverfahren ein Hintergrundlichtanteil des reflektierten Lichts LR berücksichtigt werden. Diese Modulation kann im Hz, kHz oder MHz-Bereich erfolgen. Der Photodetektor kann dann über ein Korrelationsverfahren, beispielsweise Lock-in, ausgelesen werden. Auf diese Weise kann Fremdlicht, welches nicht von der Laserlichtquelle 2 stammt, effektiv unterdrückt werden, mit anderen Worten von der Erstellung der spektralen Informationen ausgeschlossen werden. In diesem Fall kann das Blickfeld der Spektrometereinrichtung (field of view) dem gesamten Bildbereich der Probe 4 entsprechen, also dem ganzen aufzunehmenden Bereich, vorteilhaft der ganzen Probe 4. Durch eine Auswertung mit dem Korrelationsverfahren kann vorteilhaft ein verbessertes Signal-zu-Rausch Verhältnis, vorteilhaft des gesamten Bildes der Probe, erzeugt werden.
Erfolgt eine Umlenkung des Laserstrahls durch den Umlenkspiegel 3 nur in einer Dimension, so kann eine Information aus einer zweiten Dimension durch eine Bewegung der gesamten Beleuchtungseinrichtung 1 und/oder der gesamten optischen Analyseeinrichtung 10 in der anderen Dimension gewonnen werden, etwa senkrecht zur Umlenkrichtung (in gleicher Ebene der Probe 4) des Umlenkspiegels 3 (Pushbroom-scanning).
3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer Interferometereinrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung zum Beleuchten und Analysieren einer Probe erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen optischen Analyseeinrichtung; ein Bestrahlen S2 des Umlenkspiegels mit Laserlicht von der Laserlichtquelle; ein Bewegen S3 des Umlenkspiegels um zumindest eine Achse und dadurch Variieren zumindest eines Auslenkwinkels gegenüber einer Normalen auf dieser Achse; ein Bestrahlen S4 der wellenlängenkonvertierenden Schicht und Bewegen des Fokalpunkts der Projektionsoptik über einen bestimmten Bereich der Probe; und ein Empfangen S5 des von dem bestimmten Bereich reflektierten Lichts und Detektieren S6 eines Spektrums von einem jeweilig bestrahlten Punkt auf der Probe durch die Spektrometereinrichtung.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1882917 A1 [0003]

Claims

Optische Beleuchtungseinrichtung (1) zum Beleuchten einer Probe (4) umfassend - eine Laserlichtquelle (2), - einen Umlenkspiegel (3), welcher durch die Laserlichtquelle (2) bestrahlbar ist und um zumindest eine Achse drehbar ist; - ein optisches fokussierendes Element (FE), welches zwischen der Laserlichtquelle (2) und dem Umlenkspiegel (3) angeordnet ist, - einen Träger (5) mit einer wellenlängenkonvertierenden Schicht (6), welche derart angeordnet ist, dass das Laserlicht vom Umlenkspiegel (3) auf die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) lenkbar ist, wobei der Träger (5) für das Laserlicht (L) und/oder für ein von der wellenlängenkonvertierende Schicht (6) wellenlängenkonvertiertes Licht (LK) durchlässig ist, wobei Laserlicht von der Laserlichtquelle (2) durch das optische fokussierende Element (FE) über den Umlenkspiegel (3) auf der wellenlängenkonvertierende Schicht (6) fokussierbar ist; und - eine Projektionsoptik (7), mittels welcher das wellenlängenkonvertierte Licht (LK) auf der Probe (4) in einem Fokalpunkt (FP) der Projektionsoptik (7) bündelbar ist.
Optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, welche ein Gehäuse (8) umfasst, wobei die Laserlichtquelle (2), der Umlenkspiegel (3), der Träger (5) und die Projektionsoptik (7) in dem Gehäuse (8) angeordnet sind und/oder in diesem eingefasst sind.
Optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Laserlichtquelle (2) einen Kantenemitter oder einen vertikalen Kavitätsemitter (VCSEL) umfasst.
Optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Umlenkspiegel (3) um zwei zueinander verschieden orientierte Achsen bewegbar ist, so dass mit dem Laserlicht (L) eine Ebene der wellenlängenkonvertierenden Schicht (6) überstreichbar ist und dadurch der Fokalpunkt (FP) der Projektionsoptik (7) über die Probe (4) bewegbar ist.
Optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher das Laserlicht (L) durch die wellenlängenkonvertierende Schicht (6) in einen Nah-Infrarot oder Infrarot-Wellenlängenbereich konvertierbar ist.
Optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Laserlichtquelle (1) und der Umlenkspiegel (3) in Modulbauweise auf einer Leiterplatte (9) montiert sind.
Optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche eine Steuereinrichtung (SE) und/oder Sensoreinrichtung (SN) umfasst, mittels welcher zumindest ein Auslenkwinkel des Umlenkspiegels einstellbar und erkennbar ist.
Optische Analyseeinrichtung (10) zum Beleuchten und Analysieren einer Probe (4) umfassend - eine optische Beleuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit welcher die Probe (4) mit einem Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlbar ist; - eine Spektrometereinrichtung (20), mit welcher ein von der Probe (4) reflektiertes Licht (LR) empfangbar und spektral analysierbar ist.
Optische Analyseeinrichtung (10) nach Anspruch 8, rückbezogen auf Anspruch 2, bei welcher die Spektrometereinrichtung (20) und die Beleuchtungseinrichtung (1) im gleichen Gehäuse (8) angeordnet sind und eine Detektionsoptik (11) im Gehäuse (8) eingefasst ist mittels welcher das reflektierte Licht (LR) auf die Spektrometereinrichtung (20) lenkbar ist.
Optische Analyseeinrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, bei welchem die Spektrometereinrichtung (20) ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI) umfasst.
Optische Analyseeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, welche eine Steuereinrichtung (SE) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den Umlenkspiegel (3) derart zu bewegen, dass das wellenlängenkonvertierte Licht (LK) im Fokalpunkt der Projektionsoptik (7) einen bestimmten Bereich der Probe (4) überstreicht, und die Spektrometereinrichtung (20) derart zu betreiben, dass ein Spektrum von einem jeweiligen mit dem wellenlängenkonvertierten Licht (LK) bestrahlten Punkt (P) des von diesem Punt reflektierten Lichts (LR) erzeugt wird; und aus Kenntnis des zum Bestrahlen dieses Punktes eingestellten zumindest einen Auslenkwinkels des Umlenkspiegels (3) eine Position des Punktes (P) auf der Probe (4) identifizierbar ist und aus Spektren von einer Vielzahl von Punkten ein Hyperspektralbild des bestimmten Bereichs der Probe (4) erzeugbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer optischen Analyseeinrichtung (10) zum Beleuchten und Analysieren einer Probe (4) umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer optischen Analyseeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 8 bis 11; - Bestrahlen (S2) des Umlenkspiegels (3) mit Laserlicht von der Laserlichtquelle (1); - Bewegen (S3) des Umlenkspiegels (3) um zumindest eine Achse und dadurch Variieren zumindest eines Auslenkwinkels gegenüber einer Normalen auf diese Achse; - Bestrahlen (S4) der wellenlängenkonvertierenden Schicht (6) und Bewegen des Fokalpunkts der Projektionsoptik (7) über einen bestimmten Bereich der Probe (4); und - Empfangen (S5) des von dem bestimmten Bereich reflektierten Lichts (LR) und Detektieren (S6) eines Spektrums von einem jeweilig bestrahlten Punkt (P) auf der Probe (4) durch die Spektrometereinrichtung (20).
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem nach dem Detektieren (S5) des Spektrums eine Kenntnis über eine Position des Punktes (P) auf der Probe (4) dazu verwendet wird, ein Hyperspektralbild von dem bestimmten Bereich zu erstellen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Kenntnis über die Position des Punktes (P) durch einen jeweiligen Auslenkwinkel des Umlenkspiegels ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei welchem der bestimmte Bereich eine Fläche oder eine Trajektorie umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welchem die Laserlichtquelle (1) mit der Zeit moduliert wird und ein Ausgangssignal der Spektrometereinrichtung (20) mit einem Korrelationssignal gemischt wird und über ein Korrelationsverfahren ein Hintergrundlichtanteil des reflektierten Lichts (LR) berücksichtigt wird.