WO2021013604A1 - Optische strahlformeinrichtung zum erweitern eines sichtfelds einer optischen detektoreinrichtung, optische analysevorrichtung zum analysieren von licht von einer probe und verfahren zum herstellen einer optischen strahlformeinrichtung - Google Patents

Optische strahlformeinrichtung zum erweitern eines sichtfelds einer optischen detektoreinrichtung, optische analysevorrichtung zum analysieren von licht von einer probe und verfahren zum herstellen einer optischen strahlformeinrichtung Download PDF

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plane
opening
shaping device
focal length
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PCT/EP2020/069731
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Tobias Werner
Andreas Merz
Martin HUSNIK
Eugen BAUMGART
Christoph Schelling
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Robert Bosch Gmbh
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    • G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
    • G02B19/0085—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with both a detector and a source

Definitions

  • Detector device optical analysis device for analyzing light from a sample and method for producing an optical beam shaping device
  • the present invention relates to an optical beam shaping device for expanding a field of view of an optical detector device, an optical analysis device for analyzing light from a sample and a method for producing an optical beam shaping device.
  • Spectrometry systems can be a sensor system consisting of a
  • One or more light sources can be used and one area can be used
  • a detector is usually arranged spatially separated from the light source and can receive light reflected or scattered by the illuminated area, the field of view of the detector mostly only partially coinciding with the illuminated area on the sample.
  • the lighting areas of these can usually only overlap in areas.
  • the light sources can be located in troughs of a reflector, which can form an illumination reflector.
  • the position of the detector can, in turn, only see a partial area of the illumination areas, in particular the areas of high intensity, directly, which is evident from the spatial separation of the
  • the field of view of the detector At the measurement distance, most of the light usually falls next to the field of view of the detector, where it can no longer be detected by the detector. Since the field of view of an area on the sample at a certain distance between If the sample and system (detector) correspond, the field of view can also be described by an acceptance angle, with light that has a larger
  • the present invention provides an optical beam shaping device for expanding a field of view of an optical detector device according to claim 1 and claim 7, an optical analysis device for analyzing light from a sample according to claim 11 and a method for manufacturing an optical beam shaping device according to claim 12.
  • the idea on which the present invention is based is to provide an optical beam shaping device for expanding a field of view of an optical detector device as well as an associated analysis device in which light can be directed from one or more illumination areas to a detector, thus enlarging and also increasing the field of view of the detector multiple lighting areas can be split. In this way, a higher light yield for light reflected or scattered on a sample can be achieved at the detector.
  • the optical beam shaping device for expanding a field of view of an optical detector device comprises at least a first lens and a second lens, which are arranged in a first plane and laterally next to one another, the first lens having a first focal length and the second lens having a second focal length; an optical diaphragm with at least one first opening, which is arranged in a second plane, the second plane extending parallel to the first plane at a distance of the first and / or second focal length; a third lens which is arranged in a third plane, wherein the third lens has a third focal length and the third plane is parallel to the first plane and to the second plane and on a side of the second plane facing away from the first plane and at a distance from the third focal length extending from the second plane, a normal to the three planes running centrally through the first opening, through the third lens and between the first lens and the second lens.
  • More than two lenses can also be arranged in the first plane and focus light from different illuminated areas of the sample through the first opening.
  • the beam shaping device can advantageously direct the light from laterally offset illumination areas of the sample onto the detector device and thus enlarge the field of view of the detector device.
  • the first opening has a first width and the first lens has a first lower critical angle and a first upper critical angle and the second lens has a second lower critical angle and a second upper critical angle, with only light which is at an angle between or equal to the respective lower and upper critical angle against or from the normal to the respective lens falls into the opening within the first width is focused.
  • the light from the illumination area of the sample on which the sample is to be analyzed can fall obliquely from a lateral side onto the first and second lenses. This light can fall on the lenses at an angle of incidence opposite to the normal. Is the angle of incidence now within the interval between the first lower critical angle and the first upper critical angle, the first and / or second lens (in the case of the second lens between the second lower critical angle and the second upper critical angle) can direct these light rays into the first opening and focus there and continue to focus the image of the illumination area on the steer third lens.
  • the third lens can then act as a collimation lens and emit the light rays from their focus in the first opening, which can be located in its third focal length, as parallel light rays in the direction of a detector device.
  • the first lens and / or the second lens comprises a plurality of partial lenses and the optical diaphragm comprises a plurality of openings which are arranged in a respective focus of these partial lenses.
  • Each partial lens can advantageously form its own focus on the diaphragm and there the light from the sample can radiate through the diaphragm if there is a corresponding opening there.
  • the first and / or second lens are formed on a glass wafer and comprise an aperture matrix on the rear side of the glass wafer which comprises the opening or a plurality of openings.
  • a glass wafer with an aperture matrix can advantageously be produced easily and can be suitable for a composite.
  • the third lens comprises a plurality of partial lenses which are formed on a further glass wafer.
  • the glass wafer and / or the further glass wafer can be connected to one another or to the rest of the beam shaping device to form a unit.
  • the glass wafer and / or the further glass wafer are connected to one another or to the remaining beam shaping device to form a unit.
  • the glass wafers can be bonded to the other components of the beam shaping device.
  • the optical beam shaping device for expanding a field of view of an optical detector device comprises a first lens, which is arranged in a first plane, the first lens having a first focal length; an optical diaphragm having a first opening and a second opening which is arranged in a second plane, the second plane extending parallel to the first plane at a distance of the first focal length, the first opening and the second opening arranged at a first distance from one another are; a second lens and a third lens arranged in a third plane, the second lens being a second
  • Focal length and the third lens has a third focal length and the third plane extends parallel to the first plane and to the second plane and on a side of the second plane facing away from the first plane and at a distance of the second and / or third focal length from the second plane, wherein a normal to the three planes through the first lens and between the second lens and the third lens; a deflection mirror device which extends perpendicularly from the diaphragm in the direction of the third plane and is arranged on a laterally outer edge of the first opening relative to the normal and / or which extends perpendicularly from the diaphragm in the direction of the third plane and on a laterally outer edge the second opening is arranged relative to the normal.
  • the deflecting mirror device can comprise a single mirror, which can at least partially encircle the second and the third lens, or comprise several individual mirrors, which are arranged on the respective opening and on a laterally outer edge of the respective opening, relative to the normal, and extend perpendicularly from the diaphragm in the direction of the third plane.
  • the diaphragm can also comprise several openings and focus light from several directions of incidence onto the second and third lens.
  • the deflecting mirror device comprises a first mirror which extends perpendicularly from the diaphragm in the direction of the third plane and is arranged on a laterally outer edge of the first opening relative to the normal; and a second mirror which extends perpendicularly from the diaphragm in the direction of the third plane and is arranged on a laterally outer edge of the second opening relative to the normal.
  • the mirror can advantageously be used to deflect the radiation focused through the respective opening onto the respective lens resting on the mirror.
  • the normal intersects the diaphragm centrally at half the first distance between the first opening and the second opening.
  • the diaphragm can advantageously be produced symmetrically with respect to the openings, which can also have an effect in the symmetrical optical effect with respect to incident light bundles.
  • the first lens has a first lower critical angle and a first upper critical angle, with only light falling at an angle between or equal to the first upper and lower critical angle to or from the normal on the first lens the first opening or into the second opening is focused.
  • the optical analysis device for analyzing light from a sample comprises at least one light source with which a sample can be irradiated at a specific angle in at least one irradiation area; an optical beam shaping device according to the invention, which is arranged in such a way that light reflected from the irradiation area at least one of the lenses of the beam shaping device impinges; a
  • Detector device which is arranged downstream of the beam shaping device on an emission side and is set up to detect a light transmitted by the beam shaping device; and an evaluation device which is set up to spectrally analyze the light detected by the detector device.
  • the method for producing an optical beam shaping device involves providing a first lens and a second lens in a first plane and arranging them laterally next to one another, the first lens having a first focal length and the second lens having a second focal length; arranging an optical diaphragm with at least one first opening, which is arranged in a second plane, the second plane extending parallel to the first plane at a distance of the first and / or second focal length; and providing a third lens which is arranged in a third plane, wherein the third lens has a third focal length and the third plane is parallel to the first plane and to the second plane and on a side of the second plane facing away from the first plane and in the
  • Distance of the third focal length extends from the second plane, wherein a normal to the three planes runs centrally through the first opening, through the third lens and between the first lens and the second lens.
  • the procedure may also be through the in conjunction with the
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a course of light beams in an optical beam shaping device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a course of light beams in an optical beam shaping device according to another
  • FIG 3 shows an optical analysis device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a block diagram of method steps of a method for producing an optical beam shaping device according to a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a course of light beams in an optical beam shaping device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the optical beam shaping device 1 for expanding a field of view of an optical detector device 3 comprises a first lens LI and a second lens L2, which are arranged in a first plane El and laterally next to one another, the first lens LI having a first focal length fl and the second lens L2 a has a second focal length f2; an optical diaphragm BL with at least one first opening PHI, which is arranged in a second plane E2, the second plane E2 extending parallel to the first plane El at a distance of the first and / or second focal length; a third lens L3, which is arranged in a third plane E3, the third lens L3 having a third focal length f3 and the third plane E3 parallel to the first plane El and to the second plane E2 and on a side of the second plane E2 facing away from the first plane El and at a distance of the third focal length f3 from the second plane E2, a normal O on the three planes centered through the first opening PHI, through the third lens L3 and extends between the
  • the first opening PHI can have a first width bl and the first lens LI a first lower critical angle 01u and a first upper critical angle q ⁇ o and the second lens L2 a second lower critical angle 02u and a second upper critical angle 02o, with only light which is below an angle between or equal to the respective lower and upper
  • Critical angle against or from the normal O to the respective lens falls into the opening PHI can be focused within the first width bl.
  • the first lens LI and / or the second lens L2 can also include a plurality of partial lenses (not shown) and the optical diaphragm BL can include a plurality of openings which are arranged in a respective focus of these partial lenses (not shown).
  • each partial lens can form its own focus on the diaphragm and there the light from the sample can radiate through the diaphragm if there is a corresponding opening there.
  • the first and second lenses can comprise macroscopic lenses or be shaped as an optical system with lens arrays (partial lenses), wherein the arrangement from FIG. 1 can be miniaturized.
  • the first and / or second lens can be formed on a glass wafer and an aperture matrix can be formed on the rear side of the glass wafer, for example by sputtering, and comprise the opening or a plurality of openings.
  • the third lens L3 can comprise a plurality of partial lenses (not shown) which can be formed on a further glass wafer.
  • the glass wafer and / or the further glass wafer can be connected to one another or to the rest of the beam shaping device to form a unit.
  • lens structures can be applied from one side and these can be arranged as an array.
  • lens structures can now have a lens structure as part of a third lens
  • Light source arrangement approximately hexagonal with six light sources.
  • the array can be different in different areas
  • the light from the illumination area of the sample on which the sample is to be analyzed can fall obliquely from a lateral side onto the first and second lenses. This light can fall on the lenses LI and L2 at an angle of incidence Q relative to the normal O. If the angle Q is now within the interval between the first lower limit angle 01u and the first upper limit angle
  • the first and / or second lens direct these light rays into the first opening PHI and focus there and continue to focus the image of the illumination area on the third lens L3 to steer.
  • the third lens L3 can then act as a collimation lens and the light beams from their focus in the first opening, which can be located in its third focal length f3, now emit as parallel light beams in the direction of a detector device.
  • the same beam shaping can now take place from the second lens and another illumination area of the sample, for example from another light source, through the first opening PHI and the third lens L3.
  • the light beams of the two illumination areas can result in collimated form after the third lens as mixed light and hit a detector together.
  • the third lens L3 can thus concentrate the light of a plurality of illumination areas with their high intensity in the direction of the detector.
  • Irradiation areas with high irradiation intensity (E in FIG. 3) are shown; the irradiation areas can in this case lie outside the field of view of the detector device (DE from FIG. 3), which can be arranged downstream of lens L3 along the normal O.
  • Both angles of incidence Q are the same here, but can also be different, the first width b1 then having to be selected differently or be sufficiently large.
  • Both bundles of rays B1 and B2 can now be focused in the focal planes (E2) of the first and second lens, for example in the same focal plane if the focal lengths are the same and the focus is in the first opening PHI.
  • the focal point of the third lens L3 can now advantageously lie in the center of the first opening PHI.
  • the angle of incidence Q on the first and / or second lens can be a
  • Deviation e deviate from the angle Q and are in the interval [q - e; Q + s], where e can be predetermined by the first width bl (not shown).
  • the deviation e from the angle Q can be, for example, + - 10 °.
  • the focus generated by the first and / or second lens can then be moved in the focal plane and in the first opening PHI according to e.
  • this deviatingly deflected light bundle can then, after the third lens L3, have a deviation from the normal O as a function of e and of the focal lengths of the lenses through which the rays are transmitted.
  • a light which actually lies outside an angle of incidence on the detector device that is permissible for detection, if the detector device were directed onto the sample directly and without beam deflection (beam shaper) (i.e. outside an acceptance angle of the
  • Detector device would be), are imaged on a smaller angular interval within the first opening (and within the acceptance angle) and are radiated onto the detector device DE.
  • Such bundles of rays CI and C2 are then radiated onto the diaphragm BL outside the first opening.
  • the direction of an optical normal also deviate from the normal O and the focus of the lenses in the first opening also take place below the optical normal (not shown). This deviation can be advantageous if the light is irradiated only from one light source and then from an illumination area of the sample
  • Beam shaping device can be configured approximately asymmetrically with different focal lengths of the lenses.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a course of light beams in an optical beam shaping device according to another
  • FIG. 1 An alternative arrangement of lenses in the beam shaper is shown in FIG.
  • the optical beam shaping device 1 for expanding a field of view of an optical detector device comprises a first lens LI, which is arranged in a first plane El, the first lens LI having a first focal length f1; an optical diaphragm BL with a first opening PHI and a second opening PH2, which is arranged in a second plane E2, the second plane E2 extending parallel to the first plane El at a distance of the first focal length fl, the first opening PHI and the second opening PH2 are arranged at a first distance dl from one another; a second lens L2 and a third lens L3 which are arranged in a third plane E3, the second lens L2 having a second focal length F2 and the third lens L3 having a third focal length f3 and the third plane E3 being parallel to the first plane El and to the second plane E2 and on a side of the second plane E2 facing away from the first plane El and at a distance of the second and / or third focal length (f2, f3) from the second plane E
  • the first lens LI can have a first lower critical angle and a first upper critical angle, with only light which falls at an angle between or equal to the first upper and lower critical angle to or from the normal O on the first lens LI into the second opening PH2 can be focused.
  • the first lens LI can also have a second lower critical angle 02u and a second upper critical angle 02o for an incidence from another side, whereby only light which is at an angle between or equal to the second upper and lower critical angle to or from the normal O occurs the first lens LI falls into the first opening PHI can be focused.
  • a first bundle of rays B1 can therefore be focused into the second opening PH2 and a second bundle of rays can be incident from a different lateral direction, for example at the same angle of incidence against the normal O, and be focused into the first opening.
  • the reflection of the second bundle B2 on the first mirror SP1 can then illuminate the second lens L2, the second lens being able to connect directly to the area of the first mirror SP1 along the direction of the first distance dl.
  • the focus (focal plane) of the first lens can be in the first opening and in the second opening, for example also with a deviation e according to the arrangement from FIG. 1.
  • the reflection of the first beam B1 on the second mirror SP2 can then be the third Illuminate lens L3, the third lens being able to connect directly to the area of the second mirror SP2 along the direction of the first distance dl.
  • the deflected beam bundles B1 and B2 can leave the second and third lenses as collimated beams parallel to one another in the direction of a detector device (not shown). An entry aperture for the two beam bundles can thus be enlarged and a signal strength for the detector device can be improved.
  • FIG. 3 shows an optical analysis device according to a
  • the optical analysis device 2 for analyzing light from a sample F comprises at least one light source LQ, in particular two, with which a sample F is at a certain angle in at least one
  • Irradiation area E can be irradiated; an optical according to the invention
  • Beam shaping device 1 which is arranged such that a from
  • Irradiation area E reflected light LR strikes at least one of the lenses of the beam shaping device 1; a detector device DE, which is arranged downstream of the beam shaping device 1 on an emission side and is set up to detect a light transmitted by the beam shaping device 1; and an evaluation device AE, which is set up to spectrally analyze the light detected by the detector device DE.
  • the optical analysis device 2 can represent a sensor system which can have an optimized field of view of the detector also for irradiating the sample from a plurality of light sources.
  • the optical analysis device 2 can, for example, be a miniaturized one
  • the light source or the plurality of light sources can comprise, for example, a light bulb or an LED or other light sources.
  • Evaluation device AE can be arranged in a common housing, for example in a TO housing with a corresponding aperture on one side that can face the sample.
  • the light source and the detector device DE and, for example, also the evaluation device can be installed on a common circuit board, and by a construction and
  • connection technology can be easily produced.
  • a lateral separation of the light source and the detector device DE can cause a lateral offset of the irradiation area E and the field of view (FOV) of the detector device DE, which, however, can be compensated to an acceptable degree by means of the beam shaper 1.
  • This is particularly advantageous for short measuring distances.
  • the beam shaper 1 can therefore advantageously tilt the field of view of the detector device DE to the irradiation area E of the
  • Light source can be achieved, advantageously also for several irradiation areas E on the same sample.
  • the lateral expansion of the field of vision can advantageously take place without tilting the detector device DE itself.
  • FIG. 4 shows a block diagram of method steps of a method for producing an optical beam shaping device according to a
  • a first lens and a second lens are provided S1 in a first plane and they are arranged laterally next to one another, the first lens having a first focal length and the second lens having a second focal length; arranging S2 an optical diaphragm with at least one first opening which is arranged in a second plane, the second plane extending parallel to the first plane at a distance of the first and / or second focal length; providing S3 a third lens which is arranged in a third plane, the third lens having a third focal length and the third plane parallel to the first plane and to the second plane and on a side of the second plane facing away from the first plane and at a distance the third focal length extends from the second plane, wherein a normal to the three planes runs centrally through the first opening, through the third lens and between the first lens and the second lens.
  • Embodiment has been fully described above, it is not limited to it, but can be modified in many ways.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Strahlformeinrichtung (1) zum Erweitern eines Sichtfelds (FOV) einer optischen Detektoreinrichtung (3) umfassend zumindest eine erste Linse (L1) und eine zweite Linse (L2), welche in einer ersten Ebene (E1) und lateral nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste Linse (L1) eine erste Brennweite (f1) und die zweite Linse (L2) eine zweite Brennweite (f2) aufweist; eine optische Blende (BL) mit zumindest einer ersten Öffnung (PH1), welche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene (E2) parallel zur ersten Ebene (E1) im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt; eine dritte Linse (L3), welche in einer dritten Ebene (E3) angeordnet ist, wobei die dritte Linse (L3) eine dritte Brennweite (f3) aufweist und die dritte Ebene (E3) sich parallel zur ersten Ebene (E1) und zur zweiten Ebene (E2) und an einer der ersten Ebene (E1) abgewandten Seite der zweiten Ebene (E2) und im Abstand der dritten Brennweite (f3) von der zweiten Ebene (E2) erstreckt, wobei eine Normale (O) auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung (PH1), durch die dritte Linse (L3) und zwischen der ersten Linse (L1) und der zweiten Linse (L2) verläuft.

Description

Beschreibung
Titel
Optische Strahlformeinrichtung zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen
Detektoreinrichtung, optische Analysevorrichtung zum Analysieren von Licht von einer Probe und Verfahren zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Strahlformeinrichtung zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung, eine optische Analysevorrichtung zum Analysieren von Licht von einer Probe und ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung.
Stand der Technik
Spektrometriesysteme können ein Sensorsystem bestehend aus einer
Beleuchtungs- und Detektionskomponente umfassen. Hierbei kann eine oder mehrere Lichtquellen angewandt werden und einen Bereich einer zu
analysierenden Probe beleuchten. Ein Detektor ist meist räumlich von der Lichtquelle getrennt angeordnet und kann ein von dem beleuchteten Bereich reflektiertes oder gestreutes Licht empfangen, wobei sich das Sichtfeld des Detektors meist nur bereichsweise mit dem beleuchteten Bereich auf der Probe deckt. Im Falle mehrerer Lichtquellen können die Beleuchtungsbereiche dieser sich üblicherweise auch nur bereichsweise überlappen. Die Lichtquellen können sich in Mulden eines Reflektors befinden, was einen Beleuchtungsreflektor formen kann. Die Position des Detektors kann bei üblichen Systemen wiederum nur einen Teilbereich der Beleuchtungsbereiche, insbesondere der Bereiche hoher Intensität, direkt einsehen, was aus der räumlichen Trennung der
Lichtquellen und des Detektors resultiert. Aufgrund eines meist kurzen
Messabstandes fällt der größte Teil des Lichts üblicherweise neben das Sichtfeld des Detektors, wo es durch den Detektor nicht mehr erfasst werden kann. Da das Sichtfeld einer Fläche auf der Probe bei einer gewissen Entfernung zwischen Probe und System (Detektor) entspricht, kann das Sichtfeld auch durch einen Akzeptanzwinkel beschrieben werden, wobei Licht, das einen größeren
Einfallswinkel zur optischen Achse des Detektionspfades besitzt, nicht detektiert wird.
Daher ist es wünschenswert, Licht von den beleuchtungsstarken Bereichen der einen oder mehrerer Lichtquellen dem Detektor zuzuführen, auch von solchen, die verhältnismäßig weit auseinanderliegen.
In der DE 196 81 285 TI wird ein Zusatzgerät für ein Infrarot- Mikrospektrometer beschrieben bei welchem eine Linsenvorrichtung eine Strahlungsenergie von einer Probe auf eine aktive Fläche einer Videokamera fokussiert.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Strahlformeinrichtung zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 7, eine optische Analysevorrichtung zum Analysieren von Licht von einer Probe nach Anspruch 11 und ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung nach Anspruch 12.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine optische Strahlformeinrichtung zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung sowie eine zugehörige Analysevorrichtung anzugeben, bei welchem Licht von einem oder mehreren Beleuchtungsbereichen zu einem Detektor hin gelenkt werden kann und somit das Sichtfeld des Detektors vergrößert und auch auf mehrere Beleuchtungsbereiche aufgespalten werden kann. Auf diese Weise kann eine höhere Lichtausbeute für an einer Probe reflektiertes oder gestreutes Licht am Detektor erzielt werden. Erfindungsgemäß umfasst die optische Strahlformeinrichtung zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung zumindest eine erste Linse und eine zweite Linse, welche in einer ersten Ebene und lateral nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste Linse eine erste Brennweite und die zweite Linse eine zweite Brennweite aufweist; eine optische Blende mit zumindest einer ersten Öffnung, welche in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt; eine dritte Linse, welche in einer dritten Ebene angeordnet ist, wobei die dritte Linse eine dritte Brennweite aufweist und die dritte Ebene sich parallel zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene und an einer der ersten Ebene abgewandten Seite der zweiten Ebene und im Abstand der dritten Brennweite von der zweiten Ebene erstreckt, wobei eine Normale auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung, durch die dritte Linse und zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse verläuft.
In der ersten Ebene können auch mehr als zwei Linsen angeordnet sein und Licht aus unterschiedlichen beleuchteten Bereichen der Probe durch die erste Öffnung fokussieren.
Die Strahlformeinrichtung kann vorteilhaft das Licht von lateral zueinander versetzten Beleuchtungsbereichen der Probe auf die Detektoreinrichtung lenken und so das Sichtfeld der Detektoreinrichtung vergrößern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung weist die erste Öffnung eine erste Breite und die erste Linse einen ersten unteren Grenzwinkel und einen ersten oberen Grenzwinkel und die zweite Linse einen zweiten unteren Grenzwinkel und einen zweiten oberen Grenzwinkel auf, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem jeweiligen unteren und oberen Grenzwinkel gegen oder von der Normalen auf die jeweilige Linse fällt in die Öffnung innerhalb der ersten Breite fokussiert wird.
Das Licht von dem Beleuchtungsbereich der Probe, an welchem die Probe analysiert werden soll, kann schräg von einer lateralen Seite auf die erste und zweite Linse fallen. Dieses Licht kann unter einem Einfallswinkel gegen die Normale auf die Linsen fallen. Ist der Einfallswinkel nun innerhalb des Intervalls zwischen ersten unteren Grenzwinkel und ersten oberen Grenzwinkel kann die erste und/oder zweite Linse (bei der zweiten Linse zwischen dem zweiten unteren Grenzwinkel und dem zweiten oberen Grenzwinkel) diese Lichtstrahlen in die erste Öffnung lenken und dort fokussieren und weiterhin das Bild des Beleuchtungsbereichs auf die dritte Linse lenken. Die dritte Linse kann dann als Kollimationslinse wirken und die Lichtstrahlen aus ihrem Fokus in der ersten Öffnung, welcher sich in deren dritter Brennweite befinden kann, nun als parallele Lichtstrahlen in Richtung einer Detektoreinrichtung abstrahlen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung umfasst die erste Linse und/oder die zweite Linse eine Mehrzahl von Teillinsen und die optische Blende eine Mehrzahl von Öffnungen, welche in einem jeweiligen Fokus dieser Teillinsen angeordnet sind.
Vorteilhaft kann jede Teillinse einen eigenen Fokus auf der Blende bilden und dort das Licht von der Probe durch die Blende strahlen, wenn dort eine entsprechende Öffnung vorhanden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung sind die erste und/oder zweite Linse auf einem Glaswafer ausgeformt und umfassen auf der Rückseite des Glaswafers eine Aperturmatrix, welche die Öffnung oder mehrere Öffnungen umfasst.
Ein Glaswafer mit einer Aperturmatrix lässt sich vorteilhaft einfach hersteilen und kann für einen Verbund geeignet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung umfasst die dritte Linse eine Mehrzahl von Teillinsen, welche auf einem weiteren Glaswafer ausgeformt sind.
Der Glaswafer und/oder der weitere Glaswafer können miteinander oder mit der restlichen Strahlformeinrichtung zu einer Einheit verbunden sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung ist der Glaswafer und/oder der weitere Glaswafer miteinander oder mit der restlichen Strahlformeinrichtung zu einer Einheit verbunden.
Durch das Verbinden zu einer Einheit kann vorteilhaft ein kompaktes und mechanisch stabiles Bauteil gebildet werden.
Die Glaswafer können mit den übrigen Komponenten der Strahlformeinrichtung gebondet sein.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Strahlformeinrichtung zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung eine erste Linse, welche in einer ersten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Linse eine erste Brennweite aufweist; eine optische Blende mit einer ersten Öffnung und einer zweiten Öffnung, welche in einer zweiten Ebene angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene im Abstand der ersten Brennweite erstreckt, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in einem ersten Abstand voneinander angeordnet sind; eine zweite Linse und eine dritte Linse, welche in einer dritten Ebene angeordnet sind, wobei die zweite Linse eine zweite
Brennweite und die dritte Linse eine dritte Brennweite aufweist und die dritte Ebene sich parallel zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene und an einer der ersten Ebene abgewandten Seite der zweiten Ebene und im Abstand der zweiten und/oder dritten Brennweite von der zweiten Ebene erstreckt, wobei eine Normale auf die drei Ebenen durch die erste Linse und zwischen der zweiten Linse und der dritten Linse verläuft; eine Umlenkspiegeleinrichtung, welche sich senkrecht von der Blende in Richtung der dritten Ebene erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der ersten Öffnung relativ zur Normalen angeordnet ist und/oder welche sich senkrecht von der Blende in Richtung der dritten Ebene erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der zweiten Öffnung relativ zur Normalen angeordnet ist.
Die Umlenkspiegeleinrichtung kann einen einzigen Spiegel umfassen, welcher die zweite und die dritte Linse zumindest teilweise umlaufen kann, oder mehrere einzelne Spiegel umfassen, welche sich an der jeweiligen Öffnung und an einem lateral äußeren Rand der jeweiligen Öffnung, relativ zur Normalen angeordnet, und senkrecht von der Blende in Richtung der dritten Ebene erstrecken können. Auf diese Weise kann die Blende auch mehrere Öffnungen umfassen und Licht von mehreren Einfallsrichtungen aus auf die zweite und dritte Linse fokussieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung umfasst die Umlenkspiegeleinrichtung einen ersten Spiegel, welcher sich senkrecht von der Blende in Richtung der dritten Ebene erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der ersten Öffnung relativ zur Normalen angeordnet ist; und einen zweiten Spiegel, welcher sich senkrecht von der Blende in Richtung der dritten Ebene erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der zweiten Öffnung relativ zur Normalen angeordnet ist.
Durch die Spiegel kann vorteilhaft ein Umlenken der durch die jeweilige Öffnung fokussierten Strahlung auf die jeweils an den Spiegel anliegende Linse erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung schneidet die Normale die Blende mittig bei dem halben ersten Abstand zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung.
Die Blende kann vorteilhaft symmetrisch bezüglich der Öffnungen hergestellt sein, was sich auch in der symmetrischen optischen Wirkung bezüglich einfallender Lichtbündel auswirken kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Strahlformeinrichtung weist die erste Linse einen ersten unteren Grenzwinkel und einen ersten oberen Grenzwinkel auf, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem ersten oberen und unteren Grenzwinkel gegen oder von der Normalen auf die erste Linse fällt in die erste Öffnung oder in die zweite Öffnung fokussiert wird.
Erfindungsgemäß umfasst die optische Analysevorrichtung zum Analysieren von Licht von einer Probe zumindest eine Lichtquelle, mit welcher eine Probe unter einem bestimmten Winkel in zumindest einem Bestrahlungsbereich bestrahlbar ist; eine erfindungsgemäße optische Strahlformeinrichtung, welche derart angeordnet ist, dass ein vom Bestrahlungsbereich reflektiertes Licht auf zumindest eine der Linsen der Strahlformeinrichtung auftrifft; eine
Detektoreinrichtung, welche der Strahlformeinrichtung an einer Abstrahlseite nachgeordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein von der Strahlformeinrichtung transmittiertes Licht zu detektieren; und eine Auswerteeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, das von der Detektoreinrichtung detektierte Licht spektral zu analysieren.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung ein Bereitstellen einer ersten Linse und einer zweiten Linse in einer ersten Ebene und Anordnen dieser lateral nebeneinander, wobei die erste Linse eine erste Brennweite und die zweite Linse eine zweite Brennweite aufweist; ein Anordnen einer optischen Blende mit zumindest einer ersten Öffnung, welche in einer zweiten Ebene angeordnet wird, wobei sich die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt; und Bereitstellen einer dritten Linse, welche in einer dritten Ebene angeordnet wird, wobei die dritte Linse eine dritte Brennweite aufweist und die dritte Ebene sich parallel zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene und an einer der ersten Ebene abgewandten Seite der zweiten Ebene und im
Abstand der dritten Brennweite von der zweiten Ebene erstreckt, wobei eine Normale auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung, durch die dritte Linse und zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse verläuft.
Das Verfahren kann sich auch durch die in Verbindung mit der
Strahlformeinrichtung genannten Merkmale und deren Vorteile auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verlaufs von Lichtstrahlen in einer optischen Strahlformeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verlaufs von Lichtstrahlen in einer optischen Strahlformeinrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine optische Analysevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs von Lichtstrahlen in einer optischen Strahlformeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die optische Strahlformeinrichtung 1 zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung 3 umfasst eine erste Linse LI und eine zweite Linse L2, welche in einer ersten Ebene El und lateral nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste Linse LI eine erste Brennweite fl und die zweite Linse L2 eine zweite Brennweite f2 aufweist; eine optische Blende BL mit zumindest einer ersten Öffnung PHI, welche in einer zweiten Ebene E2 angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene E2 parallel zur ersten Ebene El im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt; eine dritte Linse L3, welche in einer dritten Ebene E3 angeordnet ist, wobei die dritte Linse L3 eine dritte Brennweite f3 aufweist und die dritte Ebene E3 sich parallel zur ersten Ebene El und zur zweiten Ebene E2 und an einer der ersten Ebene El abgewandten Seite der zweiten Ebene E2 und im Abstand der dritten Brennweite f3 von der zweiten Ebene E2 erstreckt, wobei eine Normale O auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung PHI, durch die dritte Linse L3 und zwischen der ersten Linse LI und der zweiten Linse L2 verläuft.
Die erste Öffnung PHI kann dabei eine erste Breite bl und die erste Linse LI einen ersten unteren Grenzwinkel 01u und einen ersten oberen Grenzwinkel qΐo und die zweite Linse L2 einen zweiten unteren Grenzwinkel 02u und einen zweiten oberen Grenzwinkel 02o aufweisen, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem jeweiligen unteren und oberen
Grenzwinkel gegen oder von der Normalen O auf die jeweilige Linse fällt in die Öffnung PHI innerhalb der ersten Breite bl fokussiert werden kann.
Die erste Linse LI und/oder die zweite Linse L2 können auch eine Mehrzahl von Teillinsen umfassen (nicht gezeigt) und die optische Blende BL eine Mehrzahl von Öffnungen umfassen, welche in einem jeweiligen Fokus dieser Teillinsen angeordnet sind (nicht gezeigt). Hierbei kann jede Teillinse einen eigenen Fokus auf der Blende bilden und dort das Licht von der Probe durch die Blende strahlen, wenn dort eine entsprechende Öffnung vorhanden ist.
Die erste und zweite Linse können makroskopische Linsen umfassen oder als eine Optik mit Linsenarrays (Teillinsen) ausgeformt sein, wobei die Anordnung aus der Fig. 1 miniaturisiert sein kann.
Die erste und/oder zweite Linse (LI, L2) können auf einem Glaswafer ausgeformt sein und auf der Rückseite des Glaswafers kann eine Aperturmatrix ausgebildet sein, etwa durch Sputtern, und die Öffnung oder mehrere Öffnungen umfassen. Die dritte Linse L3 kann eine Mehrzahl von Teillinsen umfassen (nicht gezeigt), welche auf einem weiteren Glaswafer ausgeformt sein können. Der Glaswafer und/oder der weitere Glaswafer können miteinander oder mit der restlichen Strahlformeinrichtung zu einer Einheit verbunden sein.
Auf dem ersten Glaswafer können von einer Seite aus Linsenstrukturen aufgebracht werden und diese als Array angeordnet werden. Auf einem zweiten Glaswafer kann nun eine Linsenstruktur als Teillinsen einer dritten Linse
(Linsenarray) erzeugt werden und beide Wafer verbondet werden (nicht gezeigt). Vorteilhaft weist dabei die Arrayanordnung dieselbe Symmetrie wie die
Lichtquellenanordnung auf, etwa hexagonal bei sechs Lichtquellen. Des
Weiteren kann das Array in verschiedenen Bereichen unterschiedliche
Anordnungen bezüglich der Linsenfokuspunkte und Positionen der Öffnungen aufweisen.
Das Licht von dem Beleuchtungsbereich der Probe, an welchem die Probe analysiert werden soll, kann schräg von einer lateralen Seite auf die erste und zweite Linse fallen. Dieses Licht kann unter einem Einfallswinkel Q gegen die Normale O auf die Linsen LI und L2 fallen. Ist der Winkel Q nun innerhalb des Intervalls zwischen ersten unteren Grenzwinkel 01u und ersten oberen
Grenzwinkel qΐo kann die erste und/oder zweite Linse (bei der zweiten Linse zwischen dem zweiten unteren Grenzwinkel 02u und dem zweiten oberen Grenzwinkel 02o) diese Lichtstrahlen in die erste Öffnung PHI lenken und dort fokussieren und weiterhin das Bild des Beleuchtungsbereichs auf die dritte Linse L3 lenken. Die dritte Linse L3 kann dann als Kollimationslinse wirken und die Lichtstrahlen aus ihrem Fokus in der ersten Öffnung, welcher sich in deren dritter Brennweite f3 befinden kann, nun als parallele Lichtstrahlen in Richtung einer Detektoreinrichtung abstrahlen.
Die gleiche Strahlformung kann nun von der zweiten Linse und einem anderen Beleuchtungsbereich der Probe, etwa von einer anderen Lichtquelle, durch die erste Öffnung PHI und die dritte Linse L3 erfolgen. Die Lichtstrahlen der beiden Beleuchtungsbereiche können sich kollimiert nach der dritten Linse als Mischlicht ergeben und gemeinsam auf einen Detektor treffen. So kann die dritte Linse L3 das Licht mehrerer Beleuchtungsbereiche mit deren hoher Intensität in Richtung des Detektors konzentrieren.
In der Fig. 1 wird der Einfall von Licht aus zwei lateral getrennten
Bestrahlungsbereichen mit hoher Bestrahlungsintensität (E in der Fig. 3) gezeigt, die Bestrahlungsbereiche können hierbei außerhalb des Sichtbereichs der Detektoreinrichtung (DE aus der Fig. 3) liegen, welche der Linse L3 entlang der Normalen O nachgeordnet sein kann. Hierbei fällt ein erstes Strahlenbündel Bl schräg (gegen die Normale O) unter dem Winkel Q auf die erste Linse und ein zweites Strahlenbündel B2 schräg unter dem Winkel Q aber aus einer lateral anderen Außenrichtung auf die zweite Linse L2. Beide Einfallswinkel Q sind hierbei gleich, können aber auch verschiedenen sein, wobei die erste Breite bl dann entsprechend anders gewählt werden müsste oder ausreichend groß sein müsste. Beide Strahlenbündel Bl und B2 können nun in den Brennebenen (E2) der ersten und der zweiten Linse fokussiert werden, etwa in einer gleichen Brennebene, wenn die Brennweiten gleich sind, und der Fokus sich in der ersten Öffnung PHI befinden. Der Brennpunkt der dritten Linse L3 kann nun vorteilhaft in der Mitte der ersten Öffnung PHI liegen.
Der Einfallswinkel Q auf die erste und/oder zweite Linse kann um eine
Abweichung e vom Winkel Q abweichen und sich im Intervall [q - e; Q + s] befinden, wobei e durch die erste Breite bl vorgegeben sein kann (nicht gezeigt). Die Abweichung e vom Winkel Q kann beispielsweise +- 10 ° betragen. Der von der ersten und/oder zweiten Linse erzeugt Fokus kann dann in der Brennebene und in der ersten Öffnung PHI entsprechend e bewegt werden. Nach einer Kollimation durch die dritte Linse L3 kann dieses abweichend ausgelenkte Lichtbündel dann nach der dritten Linse L3 eine Abweichung in Abhängigkeit von e und von den Brennweiten der durchstrahlten Linsen gegen die Normale O aufweisen. Dadurch kann also auch ein Licht, welches eigentlich außerhalb eines zur Detektion zulässigen Einfallswinkels auf die Detektoreinrichtung liegt, wenn die Detektoreinrichtung direkt und ohne Strahlumlenkung (Strahlformer) auf die Probe gerichtet wäre (also außerhalb eines Akzeptanzwinkels der
Detektoreinrichtung liegen würde), auf ein kleineres Winkelintervall innerhalb der ersten Öffnung (und innerhalb des Akzeptanzwinkels) abgebildet werden und auf die Detektoreinrichtung DE gestrahlt werden. Ein Licht, welches unter eine zu kleinen Winkel zur Normalen O auf die erste und/oder zweite Linse fällt, etwa von parallel zur Normalen O, kann jedoch geblockt werden und nicht in die erste Öffnung eingestrahlt werden, was jeweils durch die Strahlbündel CI und C2 in der Fig. 1 dargestellt ist. Solche Strahlenbündel CI und C2 werden dann auf die Blende BL außerhalb der ersten Öffnung gestrahlt.
Durch eine Wahl bei der Herstellung der Brennweiten und optischen Achsen der Linsen und der Öffnung kann hingegen die Richtung einer optischen Normalen auch von der Normalen O abweichen und der Fokus der Linsen in der ersten Öffnung auch unter der optischen Normalen erfolgen (nicht gezeigt). Diese Abweichung kann vorteilhaft sein, wenn das Licht nur von einer Lichtquelle und dann von einem Beleuchtungsbereich der Probe eingestrahlt wird, die
Strahlformeinrichtung etwa asymmetrisch mit unterschiedlichen Brennweiten der Linsen ausgestaltet sein kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verlaufs von Lichtstrahlen in einer optischen Strahlformeinrichtung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 2 wird eine alternative Anordnung von Linsen im Strahlformer gezeigt.
Die optische Strahlformeinrichtung 1 zum Erweitern eines Sichtfelds einer optischen Detektoreinrichtung umfasst eine erste Linse LI, welche in einer ersten Ebene El angeordnet ist, wobei die erste Linse LI eine erste Brennweite fl aufweist; eine optische Blende BL mit einer ersten Öffnung PHI und einer zweiten Öffnung PH2, welche in einer zweiten Ebene E2 angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene E2 parallel zur ersten Ebene El im Abstand der ersten Brennweite fl erstreckt, wobei die erste Öffnung PHI und die zweite Öffnung PH2 in einem ersten Abstand dl voneinander angeordnet sind; eine zweite Linse L2 und eine dritte Linse L3, welche in einer dritten Ebene E3 angeordnet sind, wobei die zweite Linse L2 eine zweite Brennweite F2 und die dritte Linse L3 eine dritte Brennweite f3 aufweist und die dritte Ebene E3 sich parallel zur ersten Ebene El und zur zweiten Ebene E2 und an einer der ersten Ebene El abgewandten Seite der zweiten Ebene E2 und im Abstand der zweiten und/oder dritten Brennweite (f2, f3) von der zweiten Ebene E2 erstreckt, wobei eine Normale O auf die drei Ebenen durch die erste Linse LI und zwischen der zweiten Linse L2 und der dritten Linse L3 verläuft; einen ersten Spiegel SP1, welcher sich senkrecht von der Blende BL in Richtung der dritten Ebene E3 erstrecken kann und an einem lateral äußeren Rand der ersten Öffnung PHI relativ zur Normalen O angeordnet sein kann; und einen zweiten Spiegel SP2, welcher sich senkrecht von der Blende BL in Richtung der dritten Ebene E3 erstrecken kann und an einem lateral äußeren Rand der zweiten Öffnung PH2 relativ zur Normalen O angeordnet sein kann. Die Normale O kann die Blende BL mittig bei dem halben ersten Abstand dl zwischen der ersten Öffnung PHI und der zweiten Öffnung PH2 schneiden.
Die erste Linse LI kann einen ersten unteren Grenzwinkel und einen ersten oberen Grenzwinkel aufweisen, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem ersten oberen und unteren Grenzwinkel gegen oder von der Normalen O auf die erste Linse LI fällt in die zweite Öffnung PH2 fokussiert werden kann. Die erste Linse LI kann für einen Einfall von einer anderen Seite auch einen zweiten unteren Grenzwinkel 02u und einen zweiten oberen Grenzwinkel 02o aufweisen, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem zweiten oberen und unteren Grenzwinkel gegen oder von der Normalen O auf die erste Linse LI fällt in die erste Öffnung PHI fokussiert werden kann.
Ein erstes Strahlenbündel Bl kann also in die zweite Öffnung PH2 fokussiert werden und ein zweites Strahlenbündel aus einer anderen seitlichen Richtung, etwa unter dem gleichen Einfallswinkel gegen die Normale O einfallen, und in die erste Öffnung fokussiert werden. Die Reflexion des zweiten Bündels B2 am ersten Spiegel SP1 kann dann die zweite Linse L2 beleuchten, wobei die zweite Linse entlang der Richtung des ersten Abstands dl direkt an den Bereich des ersten Spiegels SP1 anschließen kann. Der Fokus (Brennebene) der ersten Linse kann jeweils in der ersten Öffnung und in der zweiten Öffnung liegen, etwa auch mit einer Abweichung e gemäß der Anordnung aus der Fig. 1. Die Reflexion des ersten Bündels Bl am zweiten Spiegel SP2 kann dann die dritte Linse L3 beleuchten, wobei die dritte Linse entlang der Richtung des ersten Abstands dl direkt an den Bereich des zweiten Spiegels SP2 anschließen kann. So können die umgelenkten Strahlenbündel Bl und B2 als kollimierte Strahlen die zweite und dritte Linse parallel zueinander in Richtung einer Detektoreinrichtung (nicht gezeigt) verlassen. Somit kann eine Eintrittsapertur für die beiden Strahlenbündel vergrößert werden und eine Signalstärke für die Detektoreinrichtung verbessert werden.
Die Fig. 3 zeigt eine optische Analysevorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die optische Analysevorrichtung 2 zum Analysieren von Licht von einer Probe F umfasst zumindest eine Lichtquelle LQ, insbesondere zwei, mit welcher eine Probe F unter einem bestimmten Winkel in zumindest einem
Bestrahlungsbereich E bestrahlbar ist; eine erfindungsgemäße optische
Strahlformeinrichtung 1, welche derart angeordnet ist, dass ein vom
Bestrahlungsbereich E reflektiertes Licht LR auf zumindest eine der Linsen der Strahlformeinrichtung 1 auftrifft; eine Detektoreinrichtung DE, welche der Strahlformeinrichtung 1 an einer Abstrahlseite nachgeordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein von der Strahlformeinrichtung 1 transmittiertes Licht zu detektieren; und eine Auswerteeinrichtung AE, welche dazu eingerichtet ist, das von der Detektoreinrichtung DE detektierte Licht spektral zu analysieren.
Die optische Analysevorrichtung 2 kann mit anderen Worten ein Sensorsystem darstellen, welches einen optimierten Sichtbereich des Detektors auch für eine Bestrahlung der Probe von mehreren Lichtquellen aus aufweisen kann. Die optische Analysevorrichtung 2 kann beispielsweise ein miniaturisiertes
Spektrometer darstellen. Die Lichtquelle oder die mehreren Lichtquellen können beispielsweise eine Glühbirne oder eine LED oder andere Lichtquellen umfassen. Die Lichtquelle oder die Mehrzahl von Lichtquellen kann zusammen mit der Strahlformeinrichtung 1 und der Detektoreinrichtung DE und der
Auswerteeinrichtung AE in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, beispielsweise in einem TO-Gehäuse mit einer entsprechenden Apertur auf einer Seite, die der Probe zugewandt werden kann. Hierbei kann die Lichtquelle und die Detektoreinrichtung DE und etwa auch die Auswerteeinrichtung auf einer gemeinsamen Platine verbaut sein, und durch eine Aufbau- und
Verbindungstechnik (AVT) einfach herstellbar sein. Eine laterale Trennung der Lichtquelle und der Detektoreinrichtung DE kann einen lateralen Versatz des Bestrahlungsbereichs E und des Sichtfeldes (FOV) der Detektoreinrichtung DE bewirken, die allerdings mittels des Strahlformers 1 zu einem akzeptablen Grad ausgeglichen werden kann. Dies ist insbesondere bei kurzen Messabständen von Vorteil. Durch dem Strahlformer 1 kann also vorteilhaft ein Schrägstellen des Sichtfeldes der Detektoreinrichtung DE zum Bestrahlungsbereich E der
Lichtquelle hin erzielt werden, vorteilhaft auch für mehrere Bestrahlungsbereiche E auf einer selben Probe. Die seitliche Erweiterung des Sichtbereichs kann vorteilhaft ohne ein Schrägstellen der Detektoreinrichtung DE selbst erfolgen.
Fig. 4 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer ersten Linse und einer zweiten Linse in einer ersten Ebene und ein Anordnen dieser lateral nebeneinander, wobei die erste Linse eine erste Brennweite und die zweite Linse eine zweite Brennweite aufweist; ein Anordnen S2 einer optischen Blende mit zumindest einer ersten Öffnung, welche in einer zweiten Ebene angeordnet wird, wobei sich die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt; ein Bereitstellen S3 einer dritten Linse, welche in einer dritten Ebene angeordnet wird, wobei die dritte Linse eine dritte Brennweite aufweist und die dritte Ebene sich parallel zur ersten Ebene und zur zweiten Ebene und an einer der ersten Ebene abgewandten Seite der zweiten Ebene und im Abstand der dritten Brennweite von der zweiten Ebene erstreckt, wobei eine Normale auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung, durch die dritte Linse und zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse verläuft.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten
Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche
1. Optische Strahlformeinrichtung (1) zum Erweitern eines Sichtfelds (FOV) einer optischen Detektoreinrichtung (3) umfassend:
- zumindest eine erste Linse (LI) und eine zweite Linse (L2), welche in einer ersten Ebene (El) und lateral nebeneinander angeordnet sind, wobei die erste Linse (LI) eine erste Brennweite (fl) und die zweite Linse (L2) eine zweite Brennweite (f2) aufweist;
- eine optische Blende (BL) mit zumindest einer ersten Öffnung (PHI), welche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene (E2) parallel zur ersten Ebene (El) im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt;
- eine dritte Linse (L3), welche in einer dritten Ebene (E3) angeordnet ist, wobei die dritte Linse (L3) eine dritte Brennweite (f3) aufweist und die dritte Ebene (E3) sich parallel zur ersten Ebene (El) und zur zweiten Ebene (E2) und an einer der ersten Ebene (El) abgewandten Seite der zweiten Ebene (E2) und im Abstand der dritten Brennweite (f3) von der zweiten Ebene (E2) erstreckt, wobei eine Normale (O) auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung (PHI), durch die dritte Linse (L3) und zwischen der ersten Linse (LI) und der zweiten Linse (L2) verläuft.
2. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei welchem die erste Öffnung (PHI) eine erste Breite (bl) und die erste Linse (LI) einen ersten unteren Grenzwinkel (01u) und einen ersten oberen Grenzwinkel (qΐo) und die zweite Linse (L2) einen zweiten unteren Grenzwinkel (02u) und einen zweiten oberen Grenzwinkel (02o) aufweist, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem jeweiligen unteren und oberen Grenzwinkel gegen oder von der Normalen (O) auf die jeweilige Linse fällt in die Öffnung (PHI) innerhalb der ersten Breite (bl) fokussiert wird.
3. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die erste Linse (LI) und/oder die zweite Linse (L2) ein Mehrzahl von Teillinsen umfasst und die optische Blende (BL) eine Mehrzahl von Öffnungen umfasst, welche in einem jeweiligen Fokus dieser Teillinsen angeordnet sind.
4. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach Anspruch 3, bei welchem die erste und/oder zweite Linse (LI, L2) auf einem Glaswafer ausgeformt ist und auf der Rückseite des Glaswafers eine Aperturmatrix die Öffnung oder mehrere Öffnungen umfasst.
5. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die dritte Linse (L3) eine Mehrzahl von Teillinsen umfasst, welche auf einem weiteren Glaswafer ausgeformt sind.
6. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei welchem der Glaswafer und/oder der weitere Glaswafer miteinander oder mit dem restlichen
Strahlformeinrichtung zu einer Einheit verbunden ist.
7. Optische Strahlformeinrichtung (1) zum Erweitern eines Sichtfelds (FOV) einer optischen Detektoreinrichtung (3) umfassend:
- eine erste Linse (LI), welche in einer ersten Ebene (El) angeordnet ist, wobei die erste Linse (LI) eine erste Brennweite (fl) aufweist;
- eine optische Blende (BL) mit einer ersten Öffnung (PHI) und einer zweiten Öffnung (PH2), welche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet ist, wobei sich die zweite Ebene (E2) parallel zur ersten Ebene (El) im Abstand der ersten Brennweite (fl) erstreckt, wobei die erste Öffnung (PHI) und die zweite Öffnung (PH2) in einem ersten Abstand (dl) voneinander angeordnet sind;
- eine zweite Linse (L2) und eine dritte Linse (L3), welche in einer dritten Ebene (E3) angeordnet sind, wobei die zweite Linse (L2) eine zweite Brennweite (F2) und die dritte Linse (L3) eine dritte Brennweite (f3) aufweist und die dritte Ebene (E3) sich parallel zur ersten Ebene (El) und zur zweiten Ebene (E2) und an einer der ersten Ebene (El) abgewandten Seite der zweiten Ebene (E2) und im Abstand der zweiten und/oder dritten Brennweite (f2, f3) von der zweiten Ebene (E2) erstreckt, wobei eine Normale (O) auf die drei Ebenen durch die erste Linse (LI) und zwischen der zweiten Linse (L2) und der dritten Linse (L3) verläuft; und
- eine Umlenkspiegeleinrichtung (SP), welche sich senkrecht von der Blende (BL) in Richtung der dritten Ebene (E3) erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der ersten Öffnung (PHI) relativ zur Normalen (O) angeordnet ist und/oder welche sich senkrecht von der Blende (BL) in Richtung der dritten Ebene (E3) erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der zweiten Öffnung (PH2) relativ zur Normalen (O) angeordnet ist.
8. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach Anspruch 7, bei welchem die
Umlenkspiegeleinrichtung (SP) einen ersten Spiegel (SP1) umfasst, welcher sich senkrecht von der Blende (BL) in Richtung der dritten Ebene (E3) erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der ersten Öffnung (PHI) relativ zur Normalen (O) angeordnet ist; und einen zweiten Spiegel (SP2) umfasst, welcher sich senkrecht von der Blende (BL) in Richtung der dritten Ebene (E3) erstreckt und an einem lateral äußeren Rand der zweiten Öffnung (PH2) relativ zur Normalen (O) angeordnet ist.
9. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei welchem die Normale (O) die Blende (BL) mittig bei dem halben ersten Abstand (dl) zwischen der ersten Öffnung (PHI) und der zweiten Öffnung (PH2) schneidet.
10. Optische Strahlformeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei welchem die erste Linse (LI) einen ersten unteren Grenzwinkel (01u) und einen ersten oberen Grenzwinkel (qΐo) aufweist, wobei nur Licht, welches unter einem Winkel zwischen oder gleich dem ersten oberen und unteren Grenzwinkel gegen oder von der Normalen (O) auf die erste Linse (LI) fällt in die erste Öffnung (PHI) oder in die zweite Öffnung (PH2) fokussiert wird.
11. Optische Analysevorrichtung (2) zum Analysieren von Licht von einer Probe (F)
umfassend:
- zumindest eine Lichtquelle (LQ), mit welcher eine Probe (F) unter einem bestimmten Winkel (Q) in zumindest einem Bestrahlungsbereich (E) bestrahlbar ist;
- eine optische Strahlformeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welche derart angeordnet ist, dass ein vom Bestrahlungsbereich (E) reflektiertes Licht (LR) auf zumindest eine der Linsen der Strahlformeinrichtung (1) auftrifft;
- eine Detektoreinrichtung (DE), welche der Strahlformeinrichtung (1) an einer
Abstrahlseite nachgeordnet ist und dazu eingerichtet ist, ein von der
Strahlformeinrichtung (1) transmittiertes Licht zu detektieren; und
- eine Auswerteeinrichtung (AE), welche dazu eingerichtet ist, das von der
Detektoreinrichtung (DE) detektierte Licht spektral zu analysieren.
12. Verfahren zum Herstellen einer optischen Strahlformeinrichtung (1) umfassend die
Schritte:
- Bereitstellen (Sl) einer ersten Linse (LI) und einer zweiten Linse (L2) in einer ersten Ebene (El) und Anordnen dieser lateral nebeneinander, wobei die erste Linse (LI) eine erste Brennweite (fl) und die zweite Linse (L2) eine zweite Brennweite (f2) aufweist; - Anordnen (S2) einer optischen Blende (BL) mit zumindest einer ersten Öffnung (PHI), welche in einer zweiten Ebene (E2) angeordnet wird, wobei sich die zweite Ebene (E2) parallel zur ersten Ebene (El) im Abstand der ersten und/oder zweiten Brennweite erstreckt;
- Bereitstellen (S3) eine dritte Linse (L3), welche in einer dritten Ebene (E3) angeordnet wird, wobei die dritte Linse (L3) eine dritte Brennweite (f3) aufweist und die dritte Ebene (E3) sich parallel zur ersten Ebene (El) und zur zweiten Ebene (E2) und an einer der ersten Ebene (El) abgewandten Seite der zweiten Ebene (E2) und im Abstand der dritten Brennweite (f3) von der zweiten Ebene (E2) erstreckt, wobei eine Normale (O) auf die drei Ebenen mittig durch die erste Öffnung (PHI), durch die dritte Linse (L3) und zwischen der ersten Linse (LI) und der zweiten Linse (L2) verläuft.
PCT/EP2020/069731 2019-07-19 2020-07-13 Optische strahlformeinrichtung zum erweitern eines sichtfelds einer optischen detektoreinrichtung, optische analysevorrichtung zum analysieren von licht von einer probe und verfahren zum herstellen einer optischen strahlformeinrichtung WO2021013604A1 (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19681285T1 (de) 1995-03-06 1998-04-16 Spectra Tech Inc Zusatzgerät für Infrarot-Mikrospektrometer
WO2011137547A2 (de) * 2010-05-03 2011-11-10 Winterthur Instruments Gmbh Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien prüfung von oberflächen
DE102017012251A1 (de) * 2017-10-20 2019-04-25 Sick Ag Sende-Empfangsmodul für einen optoelektronischen Sensor und Verfahren zur Erfassung von Objekten

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7199877B2 (en) * 2004-10-20 2007-04-03 Resonon Inc. Scalable imaging spectrometer
JP6224354B2 (ja) * 2013-05-31 2017-11-01 株式会社トプコン スペクトル画像取得装置及びスペクトル画像取得方法
WO2019101750A2 (en) * 2017-11-21 2019-05-31 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA - Recherche et Développement Spectrometer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19681285T1 (de) 1995-03-06 1998-04-16 Spectra Tech Inc Zusatzgerät für Infrarot-Mikrospektrometer
WO2011137547A2 (de) * 2010-05-03 2011-11-10 Winterthur Instruments Gmbh Vorrichtung zur berührungslosen und zerstörungsfreien prüfung von oberflächen
DE102017012251A1 (de) * 2017-10-20 2019-04-25 Sick Ag Sende-Empfangsmodul für einen optoelektronischen Sensor und Verfahren zur Erfassung von Objekten

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