DE102017122500B4 - Abstandsmessvorrichtung - Google Patents

Abstract

Abstandsmessvorrichtung, aufweisend:- eine Breitbandlichtquelle (1, 1', 1") zur Erzeugung eines Breitbandlichts,- eine mit dem Breitbandlicht über eine Blendenvorrichtung (601) einspeisbare zur Durchführung eines optischen Messverfahrens an einem Messobjekt ausgebildete Messoptik (600),- ein Spektrometer (450), ausgebildet zur Erfassung des Lichtspektrums des von dem Messobjekt (700) in die Messoptik (600) zurückreflektierten und aus der Messoptik (600) ausgekoppelten Lichts,- eine Auswerteeinheit (500), ausgebildet zur Ermittlung eines das Messobjekt (700) betreffenden Abstandes anhand des vom Spektrometer (450) erfassten und gemäß einem spektralinterferometrischen oder chromatisch-konfokalen Verfahren ausgewerteten Lichtspektrums, wobeidie Breitbandlichtquelle eine Primärlichtquelle (2, 2') zur Erzeugung eines kohärenten linear polarisierten Primärlichts, wenigstens ein als Sekundärlichtquelle dienendes dünnes Target (6, 6') zur Erzeugung eines gerichteten breitbandigen Lichts und eine Optik (4, 4') zur Formung des Primärlichts zu einer auf das Target (6, 6') gerichteten Primärstrahlung aufweist, wobei das Target (6, 6') ein Compound-Target-Material (10) zur Generierung des gerichteten breitbandigen Lichts aufweist, wobei die Breitbandlichtquelle (1') eine Reihe von sich im Strahlengang der konvergierenden Primärstrahlung befindenden als Sekundärlichtquelle dienenden koaxial zu einer optischen Achse der Breitbandlichtquelle (1') angeordneten Targets (6') umfasst, welche jeweils eine Lichteintrittsfläche zum Eintreten der Primärstrahlung und eine Lichtaustrittsfläche zum Austreten eines breitbandigen Sekundärlichts aufweisen, und wobei die Primärlichtquelle (2') ein gaußartiges Intensitätsprofil des Primärlichts aufweist, wobei die Optik (4') zur Formung eines spitz zulaufenden Lichtkegels einer konvergierenden Primärstrahlung ausgebildet ist, und wobei das wenigstens eine Target (6´) in Form von derart gekrümmten Schichten ausgebildet ist, dass die konvergierende Primärstrahlung wenigstens bereichsweise senkrecht auf der jeweiligen Lichteintrittsfläche des jeweiligen Targets (6') auftreffen kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung, insbesondere eine mit einer Breitbandlichtquelle betriebene optische Abstandsmessvorrichtung zur Messung von Abständen bzw. von Abstandsdifferenzen sowie von Schichtdicken lichtdurchlässiger Materialien.
• Es sind optische Abstandsmessvorrichtungen mit Breitbandlichtquellen bekannt, die es ermöglichen, Abstände bzw. Abstandsdifferenzen zu bzw. zwischen Ober- bzw. Grenzflächen einer Probe anhand von Reflexionsspektren eines breitbandigen Lichts zu ermitteln. Bei solchen auf Ermittlung von Reflexionsspektren eines breitbandigen Lichts basierten Abstandsmessvorrichtungen wird je nach verwendetem Messverfahren zwischen Abstandsmessvorrichtungen mit OCT (Optical Coherence Tomography) bzw. spektral-interferometrischer und mit chromatisch-konfokaler Konfiguration unterschieden. Die Patentschrift DE 10 2010 016 862 B3 beschreibt die Verwendung des spektral-interferometrischen Messprinzips für eine scannende Abstandsmessung. Die Verwendung des chromatisch-konfokalen Messprinzips bei der Messung der Dicke eines transparenten Körpers ist in der Patentschrift DE 10 32 59 42 B4 beschrieben.
• Als breitbandige Lichtquellen sind Gasentladungslampen, Glühfaden sowie lasergetriebene Lichtquellen wie Supercontinuum-Laserlichtquellen oder leuchtstoffbasierte Halbleiterlichtquellen bekannt. In N.W. Rosemann et al. „A highly efficient directional molecular white-light emitter driven by a continuous-wave laser diode", Science 10 Jun 2016: Vol. 352, Issue 6291, pp. 1301-1304), wird eine breitbandige molekulare Weißlichtquelle beschrieben, welche mittels einer CW-Laser-Diode angeregt wird. In der Druckschrift US 2013/0265795 A1 wird unter anderem eine Weißlicht-LED als eine breitbandige Lichtquelle beschrieben, worin von unterschiedlichen Lichtquellen ausgestrahltes Licht in einen optischen Koppler über mehrere Eingänge eingekoppelt wird. Die Energieeffizienz dieser Lichtquelle beim Einsatz in einer optischen Abstandsmessvorrichtung ist aus wenigstens zwei Gründen nicht optimal: Erstens ist die typische Abstrahlfläche einer Weißlicht-LED mit mindestens 200 µm x 200 µm sehr viel größer als der Messfleckdurchmesser, den man für eine optische Abstandsmessung auf einem Punkt vorsieht, z.B. 50 µm Durchmesser am Eingang der Messoptik. Zweitens wird das vom Primärlicht einer UV oder blauen LED im LED-Phosphor erzeugte Sekundärlicht in alle Richtungen des Halbraums abgestrahlt, während für das Messlicht nur ein Abstrahlkegel von typischerweise +/- 10° nutzbar ist.
• Eine der Herausforderungen bei den breitbandigen Lichtquellen ist es, hohe Energieeffizienz, hohe Lebensdauer und hoher Lichtqualität mit einfachem Lichtquellenaufbau zu verbinden. Die Erhöhung der Energieeffizienz unter Beibehaltung der Lichtqualität führt in der Regel zu höherer Komplexität der Breitbandlichtquellen, wodurch auch die optischen Abstandsmessvorrichtungen mit Breitbandlichtquellen komplexer und teurer werden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine energieeffiziente Abstandsmessvorrichtung mit einer einfach aufgebauten Breitbandlichtquelle bereitzustellen.
• Zur Lösung der Aufgabe wird eine Abstandsmessvorrichtung bereitgestellt, die eine Breitbandlichtquelle zur Erzeugung eines Breitbandlichts sowie eine mit dem Breitbandlicht über eine Blendenvorrichtung einspeisbare Messoptik umfasst, welche zur Durchführung eines optischen-Messverfahrens an einem Messobjekt ausgebildet ist. Die Abstandsmessvorrichtung umfasst ferner ein Spektrometer, das zur Erfassung des Lichtspektrums des von dem Messobjekt in die Messoptik zurückreflektierten und aus der Messoptik ausgekoppelten Lichts ausgebildet ist, sowie eine Auswerteeinheit, die zur Ermittlung eines das Messobjekt betreffenden Abstandes anhand des vom Spektrometer erfassten und gemäß einem spektralinterferometrischen oder chromatisch-konfokalen Verfahren ausgewerteten Lichtspektrums ausgebildet ist. Die Breitbandlichtquelle umfasst eine Primärlichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten linear polarisierten Primärlichts bzw. Pumplichts, wenigstens ein als Sekundärlichtquelle dienendes dünnes Target und eine Optik, insbesondere eine strahlformende Optik, zur Formung des Primärlichts zu einer auf das Target gerichteten Primärstrahlung, wobei das Target ein Compound-Target-Material zur Generierung des breitbandigen gerichteten bzw. im Wesentlichen entlang, insbesondere in Richtung des Primärlichts abgestrahlten Sekundärlichts aufweist. Die Breitbandlichtquelle weist ferner eine Reihe von sich im Strahlengang der konvergierenden Primärstrahlung befindenden als Sekundärlichtquelle dienenden koaxial zu einer optischen Achse der Breitbandlichtquelle angeordneten Targets umfasst, welche jeweils eine Lichteintrittsfläche zum Eintreten der Primärstrahlung und eine Lichtaustrittsfläche zum Austreten eines breitbandigen Sekundärlichts aufweisen, und wobei die Primärlichtquelle ein gaußartiges Intensitätsprofil des Primärlichts aufweist, wobei die Optik zur Formung eines spitz zulaufenden Lichtkegels einer konvergierenden Primärstrahlung ausgebildet ist, und wobei das wenigstens eine Target in Form von derart gekrümmten Schichten ausgebildet ist, dass die konvergierende Primärstrahlung wenigstens bereichsweise senkrecht auf der jeweiligen Lichteintrittsfläche des jeweiligen Targets auftreffen kann.
• Insbesondere kann das Compound-Target-Material eine optische Nichtlinearität mit Schwellverhalten aufweisen, so dass die Generierung des breitbandigen gerichteten Sekundärlichts bei einer Überschreitung eines Schwellwerts der Leistungsdichte der auf das Target auftreffenden Primärstrahlung einsetzt bzw. ein merklicher Anteil, insbesondere 1-10% der Leistung des Primärlichts in breitbandiges Sekundärlicht umgewandelt wird. Die Primärlichtquelle bzw. die Optik kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass beim Eintreffen am Target die Leistungsdichte der Primärstrahlung unterhalb der Zerstörungsgrenze des Compound-Target-Materials liegt. Als Zerstörungsgrenze wird der Wert der Leistungsdichte bezeichnet, oberhalb welcher irreversible strukturelle Veränderungen in dem Compound-Target-Material bis hin zur Zerstörung des Targets auftreten können.
• Vorzugsweise wird die Leistungsdichte der Primärlichtstrahlung leicht oberhalb des Schwellwerts, insbesondere zwischen dem Schwellwert und einem Sättigungswert der Leistungsdichte gewählt. Als Sättigungswert wird der Wert der Leistungsdichte der Primärstrahlung bezeichnet, bei dem eine Sättigung im Konversionsverhalten des Targets bzw. in der Lichtausbeute des breitbandigen Sekundärlichts einsetzt. Die Sättigungsgrenze kann insbesondere als Wendepunkt in der Abhängigkeit der Lichtintensität der Breitbandlichtquelle von der Pumpleistung definiert werden.
• Das dünne Target kann insbesondere als dünnes flächiges Target bzw. als ein Dünnschichttarget auf einem Substrat, insbesondere auf einem transparenten Substrat, ausgebildet sein. Dünn bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Dicke des Targets von der Größenordnung vergleichbar oder kleiner als die Absorptionslänge des Breitbandlichts in dem Compound-Target-Material ist. Durch Verwendung von derart dünnen Targets, können Absorptionsverluste in dem Compound-Target-Material reduziert werden, wodurch die Gesamtlichteffizienz der Breitbandlichtquelle erhöht werden kann.
• Die strahlformende Optik kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass das Primärlicht im Wesentlichen senkrecht auf der Targetfläche eintrifft. Durch den im Wesentlichen senkrechten Einfall des Primärlichts auf die Targetfläche kann die Konversionseffizienz des Primärlichts in das breitbandige Sekundärlicht erhöht werden.
• Die Blendenvorrichtung kann insbesondere eine flächige Blende mit einer oder mehreren Blendenöffnungen umfassen. Die Blendenöffnungen können kreis- oder Schlitzförmig ausgebildet sein. Mittels der Blendenvorrichtung kann aus dem durch die Breitbandlichtquelle erzeugten Lichtbündel ein bzw. mehrere Messstrahlen für die Messoptik herausgeformt werden.
• Die Abstandsmessvorrichtung zeichnet sich durch eine einfache Bauweise und eine hohe Energieeffizienz aus. Insbesondere aufgrund der hohen Energieeffizienz von kohärenten Lichtquellen, und aufgrund der Konversion der primären kohärenten Lichtstrahlung in die breitbandige und gerichtete sekundäre Strahlung in dem Target-Material kann eine hohe Gesamtenergieeffizienz der Abstandsmessvorrichtung erzielt werden. Dadurch können insbesondere tragbare Abstandsmessvorrichtungen mit langen Akkulaufzeiten realisiert werden.
• Die Abstandsmessvorrichtung kann als eine an einer Koordinatenmessmaschine ansteckbare Abstandsmessvorrichtung mit autonomer Energieversorgung ausgebildet sein. Die autonome Energieversorgung kann insbesondere mittels einer an der Abstandsmessvorrichtung vorgesehenen Batterieenergiequelle erfolgen. Die Abstandsmessvorrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass beim Abtasten eines Messobjekts erfasste Daten über einen an der Abstandsmessvorrichtung angeordneten Sender bzw. Transceiver an eine stationäre Auswerteeinheit zur Auswertung drahtlos, insbesondere unter Verwendung einer drahtlosen Technology, wie beispielsweise Bluetooth-Low-Energy-Technology, übertragen werden können. Dabei kann die Abstandsmessvorrichtung aufgrund ihrer Energieeffizienz über längere Zeitabschnitte ohne Unterbrechung betrieben werden.
• Die Messoptik kann als eine spektral-interferometrische und/oder als chromatisch-konfokale Messoptik ausgebildet sein. Die Messoptik kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass sie ein Muster (z.B. einen Punkt, mehrere Punkte, Schlitzblende) des von der Breitbandquelle erzeugten Sekundärlichts auf das Messobjekt abbildet. Zur Erzeugung des Musters ist z.B. eine Lochblende oder die Einkopplung in einen Lichtwellenleiter vorgesehen. Je nach Messanforderungen und Einsatzgebieten können diese beiden Optik-Konfigurationen zum Teil komplementär zueinander eingesetzt werden.
• Im Strahlengang der Breitbandlichtquelle kann ein, insbesondere dem Target vorgeschalteter, Lichthomogenisierer zur Unterdrückung von auf das Schwellverhalten des Compound-Target-Materials zurückzuführenden Inhomogenitäten in der Leuchtdichtenverteilung des Targets angeordnet sein.
• Bei einem stark ausgeprägten Schwellverhalten in der optischen Nichtlinearität des Compound-Target-Materials bzw. des Leuchtstoffmaterials (im Targetmaterial des Rosemann-Paper wächst die Sekundärlichtintensität mit der 8. Potenz des Primärlichtintensität an) kann eine geringfügige Ungleichmäßigkeit in der Leistungsdichtenverteilung der Primärlichtstrahlung an der Lichteintrittsfläche des Targets bzw. des Compound-Targets zu einer unverhältnismäßig großen Inhomogenität in der Leuchtdichte bzw. in der Verteilung der Leistungsdichte des breitbandigen Sekundärlichts auf der Lichtaustrittsseite des Targets führen. Durch das Vorsehen des Lichthomogenisierers wird erreicht, dass die auf das Schwellverhalten in der Nichtlinearität zurückzuführende Inhomogenität des aus der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichts beseitigt oder wenigstens vermindert werden kann. Insbesondere kann dadurch das Auftreten von „Hotspots“ - d.h. von lokalen Bereichen mit einer im Vergleich zu umgebenden Bereichen stark erhöhten Leuchtdichte - in der Sekundärlichtquelle vermieden werden. Durch die Vorschaltung des Lichthomogenisierers vor dem Compound-Target kann die Primärstrahlung derart homogenisiert werden, dass das Auftreten von Hotspots in dem Compound-Target-Material verhindert bzw. unterdrückt wird.
• Der Lichthomogenisier kann eine Streuscheibe, insbesondere eine Kleinwinkelstreuscheibe umfassen. Als Kleinwinkelstreuung wird eine Lichtstreuung bezeichnet, wenn ein Großteil, insbesondere über 80 % des einfallenden Lichts in einem kleinen Winkelbereich, insbesondere in einem Winkelbereich zwischen - 5° bis +5°, noch spezieller zwischen -2° bis +2° gestreut wird. Durch die Kleinwinkelstreuung kann die Primärlichtstrahlung homogenisiert werden, ohne dabei die Lichtqualität, insbesondere die Lichtverteilung und die Kohärenz erheblich zu beeinträchtigen.
• Die Streuscheibe kann eine lichtstreuende Emulsion aufweisen, welche eine äußere Phase mit einem Brechungsindex n_a und eine innere Phase mit einem Brechungsindex n_i umfassen, wobei das Verhältnis der Brechungsindizes n_a /n_i vorzugsweise im Bereich zwischen 0,9 und 1,1, insbesondere zwischen 0,95 und 1,05 liegt. Die innere Phase der lichtstreuenden Emulsion kann im Wesentlichen gleichmäßig in der äußeren Phase verteilte Tröpfchen umfassen, welche bei Raumtemperatur eine Brownsche Bewegung bzw. eine thermische stochastische Bewegung ausführen. Durch die Brownsche Bewegung der Tröpfchen der inneren Phase kann sowohl räumliche als auch zeitliche Homogenisierung der Streuung durch die Kleinwinkelstreuscheibe erzielt werden, so dass die Bildung von Hotspots in der Leuchtdichtenverteilung der Sekundärlichtquelle effizient unterdrückt werden kann.
• Die Kleinwinkelstreuscheibe kann ein Mikrolinsenarray mit zufällig verteilten Mikrolinsengrenzflächen aufweisen. Das Mikrolinsenarray erlaubt es, durch zufällig verteilte streuende Linsengrenzflächen eine Kleinwinkelstreuung mit hoher Homogenisierung zu erreichen.
• Die Breitbandlichtquelle kann eine Fokussierlinse zum Fokussieren des vom Target ausgestrahlten Lichts auf die Blendenvorrichtung aufweisen. Durch die der Blendenvorrichtung vorgeschaltete Fokussierlinse kann die Effizienz der Lichteinkopplung in die Messoptik verbessert werden.
• Der Lichthomogenisierer kann einen elektrooptischen Filter mit elektrisch ansteuerbaren matrixartig angeordneten elektrooptischen Zellen umfassen. Durch die elektrische Ansteuerung der matrixartig angeordneten elektrooptischen Zellen, kann insbesondere die Durchlässigkeit des elektrooptischen Filters für die Primärstrahlung zur Homogenisierung lokal beeinflusst werden.
• Als elektrische Zellen können Pockels-Zellen vorgesehen sein. Durch elektrische Ansteuerung der matrixartig angeordneten Pockels-Zellen kann die Durchlässigkeit des elektrooptischen Filters für das polarisierte Licht der Primärstrahlung lokal herabgesetzt werden, so dass die Bildung von Hotspots gezielt unterdrückt werden kann.
• Die Breitbandlichtquelle kann einen Fotodetektor zur Erfassung der Leuchtdichtenverteilung der Lichtaustrittsfläche der Sekundärlichtquelle umfassen, und die elektrooptischen Zellen des elektrooptischen Filters können in Abhängigkeit von der erfassten Leuchtdichtenverteilung ansteuerbar sein. Durch die Ansteuerung der elektrooptischen Zellen des elektrooptischen Filters in Abhängigkeit von der erfassten Leuchtdichtenverteilung kann eine aktive Rückkopplung bereitgestellt, so dass eventuelle auftretende Hotspots detektiert und gezielt unterdrückt werden können.
• Die Breitbandlichtquelle kann ferner eine Steuereinheit zur Steuerung des elektrooptischen Filters mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der von dem Fotodetektor erfassten Leuchtdichtenverteilung umfassen, wobei die Steuereinheit derart konfiguriert ist, dass bei der Feststellung eines Hotspots anhand der Auswertung von Leuchtdichtenverteilungsdaten die optische Durchlässigkeit der dem festgestellten Hotspot gegenüberliegenden Zelle des elektrooptischen Filters herabgesetzt werden kann.
• Durch die Herabsetzung der optischen Durchlässigkeit der dem Hotspot gegenüberliegenden Zelle können die Hotspots eliminiert werden, so dass sich eine weitgehend gleichmäßige Leuchtdichtenverteilung des als Sekundärlichtquelle fungierenden Targets ergibt.
• Der Lichthomogenisierer kann als Teil der Sekundärlichtquelle ausgebildet sein. Durch die Ausbildung des Lichthomogenisierers als Teil der Sekundärlichtquelle kann eine kompakte Bauweise der Breitbandlichtquelle erzielt werden.
• Der elektrooptische Filter, das Fotodetektor-Array und das Compound-Target können als eine zusammengesetzte Moduleinheit ausgebildet sein. Durch die modulare Ausbildung des Lichthomogenisierers zusammen mit dem Compound-Target und mit dem Fotodetektor-Array wird besonders kompakte und robuste Bauweise der Breitbandlichtquelle realisiert.
• Die Breitbandlichtquelle umfasst eine Reihe von sich im Strahlengang der konvergierenden Primärstrahlung befindenden als Sekundärlichtquelle dienenden koaxial zu einer optischen Achse der Breitbandlichtquelle angeordneten Targets, welche jeweils eine Lichteintrittsfläche zum Eintreten der Primärstrahlung und eine Lichtaustrittsfläche zum Austreten eines breitbandigen Sekundärlichts aufweisen, wobei die Primärlichtquelle typischerweise ein im Wesentlichen gaußartiges Intensitätsprofil des Primärlichts aufweist, und wobei die Optik zur Formung eines spitz zulaufenden Lichtkegels einer konvergierenden Primärstrahlung ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Target in Form von derart gekrümmten Schichten ausgebildet ist, dass die konvergierende Primärstrahlung wenigstens bereichsweise senkrecht auf der jeweiligen Lichteintrittsfläche des jeweiligen Targets auftreffen kann. Insbesondere können die Targetschichten im Wesentlichen von der Lichtquelle aus betrachtet konvex ausgebildet sein.
• Aufgrund des gaußartigen Intensitätsprofils des Primärlichts ist die Lichtintensität der Primärstrahlung in der Strahlmitte bzw. in der Nähe von der optischen Achse der Breitbandlichtquelle höher als in einem Randbereich des Primärstrahls, so dass in dem Compound-Target-Material der ersten Targetschicht die Intensitätsschwelle für die Generierung des breitbandigen Sekundärlichts am ehesten im mittleren Bereich überwunden wird. Somit wird das Primärlicht zuerst im mittleren Bereich der ersten Leuchtstoffschicht in das breitbandige weiße Licht umgesetzt. Entsprechend wird auch die Intensität des Pumplichts beim Passieren der ersten Leuchtstoffschicht in der Strahlmitte am stärksten verringert. Mit dem zunehmenden Abstand r von der optischen Achse wird die Intensität der Primärstrahlung ebenfalls aufgrund des Intensitätsprofils weniger beeinflusst, insbesondere, weil die Schwellintensität des Pumplichts zum Einsatz des nichtlinearen Konversionsprozesses im Randbereich möglicherweise gar nicht erreicht wird. Diese unterschiedlich starke Abschwächung des Pumplichts in unterschiedlichem Abstand von der optischen Achse der Breitbandlichtquelle setzt sich mit dem Durchgang des Pumplichts durch jede weitere Targetschicht fort, was zu einer Abflachung des Intensitätsprofils des Pumplichts führt. Durch eine gezielte Abflachung des Intensitätsprofils bzw. durch die Bildung eines Plateaus in der Strahlmitte beim Pumpen der jeweiligen Leuchtstoffschicht kann dem Schwellverhalten des nichtlinearen Prozesses der Lichtkonversion Rechnung getragen werden. Insbesondere kann die Lichtverteilung ganz gezielt derart abgeflacht werden, dass die Intensitätsschwelle auf einem größeren Gebiet der jeweiligen Lichteintrittsfläche überschritten werden kann.
• Der Lichtkegel der konvergierenden Primärstrahlung kann zu einem Fokuspunkt spitz zulaufen, wobei die Targetschichten als im Wesentlichen konzentrisch bezüglich des Fokuspunkts angeordnete Kugelsegmente ausgebildet sind. Bei einer gerichteten Emission des Sekundärlichts begünstigt die konzentrische Anordnung der Targetschichten bezüglich des Fokuspunkts eine Konzentration des Sekundärlichts ebenfalls in dem Fokuspunkt des Lichtkegels, wodurch sich diese Konfiguration besonders gut für Bereitstellung einer kompakten Breitbandlichtquelle eignet. Aufgrund dieser Anordnung der Leuchtstoffschichten kommt es zu einer Art Autohomogenisierung der Lichtverteilung, und zwar dadurch, dass die Intensitätsverluste des Primärlichts im mittleren Bereich der Lichtverteilung bzw. in der Nähe von der optischen Achse durch Strahlfokussierung aufgrund der konzentrischen Geometrie der Targetschichten ausgeglichen werden.
• Die Targetschichten können derart voneinander beabstandet angeordnet sein, dass die räumliche Verteilung Pumpleistungsdichte an den Lichteintrittsflächen von aufeinanderfolgenden Targetschichten eine Tendenz zur Bildung eines Plateaus im mittleren Bereich der Intensitätsverteilung aufweist. Insbesondere wird die räumliche Verteilung der Leistungsdichte der Pumpstrahlung in Abhängigkeit von dem axialen Abstand I_NIR (r) in der Nähe von der Achse konstant. Durch die Bildung des Plateaus kann eine hohe Konversionseffizienz der Breitbandlichtquelle bzw. ein optimales Konversionsregime für alle Leuchtstoffschichten erzielt werden. Insbesondere kann die Leistungsdichte der Primärstrahlung jeweils gleich, insbesondere leicht oberhalb der Leistungsdichtenschwelle gehalten werden.
• Die Breitbandlichtquelle kann derart konfiguriert sein, insbesondere die Primärlichtquelle derart eingestellt sein, dass die Leistungsdichte der Primärstrahlung an den Lichteintrittsflächen der Targetschichten in der Nähe der optischen Achse, insbesondere bei r = 0, bzw. im Plateau-Bereich der Intensitätsverteilung, leicht oberhalb des Schwellwertes liegt, so dass die Leistungsdichte den Schwellwert nicht um mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als um 10% übersteigt. Durch Einstellung des Plateaus knapp bzw. leicht oberhalb des Schwellwerts der Pumplichtintensität kann bei einer starken optischen Nichtlinearität des Compound-Target-Materials mit einem ausgeprägten Resonanzcharakter eine effiziente Generierung des Breitbandlichts erzielt werden. Insbesondere können dadurch hohe Energieverluste durch Phononen- bzw. Wärmeprozesse vermieden werden, die bei höherer Leistungsdichten des Pumplichts einsetzen können. Zudem können durch die Begrenzung der Leistungsdichte des Pumplichts Degradations- bzw. Zerstörungsprozesse der Leuchtstoffschicht unterdrückt bzw. verlangsamt werden.
• Im Lichtkegel der konvergierenden Primärstrahlung kann wenigstens ein Kollimationsoptikelement vorgesehen sein. Durch das wenigstens eine Kollimationsoptikelement kann eine Dekollimation des Lichts durch die in den Targetschichten auftretenden Streu- bzw. Beugungsprozesse unterdrückt bzw. wenigstens teilweise kompensiert werden.
• Als das wenigstens eine Kollimationsoptikelement kann eine koaxial zu der optischen Achse angeordnete Axicon-Linse vorgesehen sein. Durch die koaxial zu der optischen Achse angeordnete Axicon-Linse, insbesondere durch Einstellung des Öffnungswinkels bzw. durch die Wahl des Brechungsindexes der Axicon-Linse können die im Strahlengang der Breitbandlichtquelle auftretenden Lichtdivergenzen auf einfache Weise wenigstens teilweise kompensiert werden.
• Die Breitbandlichtquelle kann einen Strahlaufweiter, einen ersten senkrecht zu einer optischen Achse ausgerichteten Planspiegel, einen zu dem ersten Planspiegel parallel ausgerichteten zweiten Planspiegel sowie einen Strahlteiler umfasst, und wobei der erste Planspiegel das Compound-Target-Material zur Generierung des breitbandigen Sekundärlichts aufweist, wobei der Strahlaufweiter derart ausgebildet ist, dass die durch den Strahlteiler aufgeteilte Primärstrahlung eine Mehrfachreflexion zwischen dem ersten Planspiegel und dem zweiten Planspiegel erfahren kann. Durch die Mehrfachreflexion zwischen den zwei planparallelen Spiegeln, kann es bei jeder Reflexion des Primärlichts an dem ersten mit dem Compound-Target-Material bzw. mit dem Leuchtstoffmaterial versehenen Planspiegel zu einer Anregung des Leuchtstoffs zu einer Sekundäremission des breitbandigen Sekundärlichts kommen, so dass der Gesamtlichtstrom des breitbandigen Lichts mit jeder Reflexion größer wird.
• Der erste Planspiegel kann als ein teillichtdurchlässiger Spiegel ausgebildet sein. Insbesondere kann der erste Planspiegel in einem mittleren Bereich bzw. in der Nähe der optischen Achse für das Primärlicht durchlässig sein, beispielsweise eine Öffnung aufweisen. Dadurch kann das Primärlicht durch den ersten Planspiegel hindurch in den Bereich zwischen den zwei planparallelen Spiegel gelangen, wo es die Mehrfachreflexion erfahren kann.
• Der zweite Planspiegel kann in Form einer für das breitbandige Sekundärlicht im Wesentlichen durchlässigen Platte ausgebildet bzw. als ein teildurchlässiger Spiegel ausgebildet sein. Insbesondere kann der zweite Planspiegel derart ausgebildet sein, dass er in dem Spektralbereich des Primärlichts im Wesentlichen spiegelnd ist, während er in dem Spektralbereich des Breitbandlichts im Wesentlichen durchlässig ist. Die Lichtaustrittsplatte kann somit sowohl die Funktion des Spiegels als auch die Funktion des selektiven Auskoppelns des breitbandigen Sekundärlichts aus der Breitbandlichtquelle miteinander verbinden. Das im Compound-Target-Material erzeugte Breitbandlicht kann somit selektiv aus dem Strahlaufweiter bzw. aus der Breitbandlichtquelle ausgekoppelt werden, während das auf den zweiten Planspiegel auftreffende Primärlicht zu dem mit dem Leuchtstoff bzw. mit dem Compound-Target-Material versehenen ersten Planspiegel zurückgeworfen bzw. zurückreflektiert wird, wo es das Leuchtstoffmaterial erneut zur Breitbandemission anregen kann. Aufgrund der Mehrfachreflexion kann somit der Primärlichtanteil sukzessive reduziert werden, was zu einer Erhöhung der Konversionseffizienz führen kann.
• Der Strahlteiler kann in Form eines axial gegen der Primärlichtstrahlung ausgerichteten konischen Spiegels ausgebildet sein. Durch die Ausbildung des Strahlteilers in Form eines axial gegen die Primärlichtstrahlung gerichteten konischen Spiegels kann die Primärstrahlung radial zwischen dem ersten Planspiegel und dem zweiten Planspiegel ausgebreitet werden, wodurch alle radialen Richtungen für Mehrfachreflexion genutzt werden können bzw. größere Flächen der planparallelen Spiegel für die Generierung des breitbandigen Lichts genutzt werden können.
• Der Strahlaufweiter kann einen koaxial zu dem Strahlteiler angeordneten ringförmigen Spiegel mit einer bezüglich der optischen Achse geneigten Spiegelfläche umfassen, der derart ausgebildet ist, dass das von dem Lichtteiler radial verteilte Primärlicht von dem ringförmigen Spiegel zurück zu der optischen Achse unter einer schrägen Richtung bezüglich der optischen Achse zurückreflektiert werden kann. Bedingt durch die schräge Reflexion des auf den ringförmigen Spiegel eintreffenden Lichts kann das Licht eine Mehrfachreflexion zwischen den zwei Planspiegel erfahren, wodurch die Effizienz der Lichtkonversion in dem Target-Material erhöht werden kann.
• Insbesondere kann der konische Spiegel einen Öffnungswinkel von etwa 90° aufweisen. Mit dem Öffnungswinkel von 90° kann die Primärstrahlung auf einfache Weise zu dem konzentrisch bezüglich des Strahlteilers angeordneten ringförmigen Spiegel gerichtet werden.
• Die Breitbandlichtquelle kann eine dem Lichtaufweiter, insbesondere der Lichtauskoppelplatte, nachgeschaltete Sammeloptik aufweisen. Durch die Sammeloptik kann das emittierte Breitbandlicht konzentriert werden, um die für viele Anwendungen erforderlichen hohen Leistungsdichten zu erreichen.
• Die Sammeloptik kann eine diffraktive Sammeloptik, insbesondere eine Diffraktivlinse umfassen. Bedingt durch die optische Dispersion in dem Strahlaufweiter bzw. an der Auskoppelplatte des breitbandigen Lichts wird das aus dem Lichtaufweiter austretende Licht spektral aufgefächert, wobei aufgrund der planparallelen Geometrie Anteile mit einer bestimmten Wellenlänge immer unter ein und demselben Winkel ausgekoppelt werden, so dass mit einer geeigneten diffraktiven Sammeloptik bzw. mit einer Diffraktivlinse alle spektralen Anteile des breitbandigen Lichts zusammen zu einem Fokuspunkt geführt werden können.
• Die Breitbandlichtquelle kann eine Multimodefaser mit einer Lichteinkoppelstelle und mit einer Lichtauskoppelstelle umfassen, wobei die Multimodefaser derart bezüglich des Fokuspunkts angeordnet ist, dass das fokussierte Breitbandlicht in die Lichteinkoppelstelle der Multimodefaser einkoppelbar und durch die Auskoppelstelle auskoppelbar ist. Durch das Einkoppeln des Breitbandlichts in die Multimodefaser kann eine flexibel einsetzbare effiziente kompakte Breitbandlichtquelle bereitgestellt werden.
• Die Blendenvorrichtung kann an der Lichteinkoppelstelle der Multimodefaser angeordnet sein. Insbesondere kann die Blendenvorrichtung eine an der Lichteinkoppelstelle der Multimodefaser angebrachte, insbesondere abgeschiedene Blendenstruktur umfassen. Auf diese Weise kann die Blendenvorrichtung mit der Multimodefaser integriert werden.
• Das Compound-Target-Material kann eine Mischung mit einem amorphen organischen und mit einem kristallinen nichtorganischen Material aufweisen. Durch eine amorph-kristalline bzw. organisch-nichtorganische Mischung wird das optische Verhalten des Materials durch delokalisierte π-Elektronen derart geprägt, dass eine Breitbandemission begünstigt wird. Dabei kann ein breitbandiges Licht in einem sichtbaren Spektralbereich, insbesondere mit einem kontinuierlichen oder wenigstens abschnittsweise kontinuierlichen Spektrum in dem Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis etwa 700 nm erzeugt werden, wodurch ein Einsatz der Breitbandlichtquelle in unterschiedlichen Anwendungsgebieten ermöglicht wird. Das Abstrahlungsspektrum in diesem Wellenlängenbereich macht die Breitbandlichtquelle insbesondere für die Anwendungen als flächig leuchtende Weißlichtquelle geeignet.
• Das Compound-Target-Material kann insbesondere IV-VI-halbleiterbasierte Cluster-Moleküle sowie an den Cluster-Molekülen mit kovalenter Bindung angebundene organische Liganden umfassen. Die IV-VI-halbleiterbasierten Cluster-Moleküle sind leicht herstellbar und können eine stabile kovalente Bindung mit organischen Liganden eingehen.
• Die IV-VI-halbleiterbasierten Cluster-Moleküle können als Zinnsulfid-Moleküle oder als Germaniumsulfid-Moleküle mit diamantartiger Struktur ausgebildet sein. Die diamantartig ausgebildeten Zinnsulfid- bzw. Siliziumsulfid-Moleküle besitzen eine starke optische Nichtlinearität und weisen keine Inversionssymmetrie auf, wodurch die Breitbandemission begünstigt wird.
• Die organischen Liganden können eine zufällige räumliche Ausrichtung aufweisen und können jeweils einen Benzol-Ring und jeweils eine Vinylgruppe umfassen. Die zufällige räumliche Ausrichtung der organischen Liganden beeinflusst die Ausrichtung von nichtorganischen Cluster-Molekülen, so dass ihre Segregation bzw. Bildung von geordneten Makro-Clustern, die mehrere Cluster-Moleküle umfassen, verhindert wird.
• Als Primärlichtquelle kann eine im nahinfraroten Spektralbereich emittierende Laserlichtquelle vorgesehen sein, die eine Peak-Wellenlänge zwischen 800 nm und 1500 nm, insbesondere zwischen 900 nm und 1100 nm aufweist. Das kohärente Licht in diesem Wellenlängenbereich ist dazu geeignet, das Compound-Target-Material zu einer breitbandigen Lichtemission anzuregen, und kann beispielsweise mit Hilfe einer Infrarot-Laser-Diode auf einfache Weise erzeugt werden.
• Der Schwellwert der Pumpleistungsdichte für den Einsatz des nichtlinearen Prozesses der Breitbandemission kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung bzw. des Komponentenmischverhältnisses des Compound-Target-Materials zwischen 5 W/cm2 bis 100 W/cm2, insbesondere zwischen 10 W/cm2 bis 50 W/cm2 eingestellt werden.
• Somit können die Breitbandlichtquellen auf einfache Weise bei moderaten Leistungsdichten des Pumplichts zu einer Breitbandemission angeregt werden.
• Die Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
• 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2 zeigt schematisch einen Lichthomogenisierer gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 3 zeigt schematisch einen Lichthomogenisierer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
• 4 zeigt schematisch einen Lichthomogenisierer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 5 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 6 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
• 7 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel;
• 8 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
• 9 zeigt Lichtintensitätsverteilung im Strahlengang der Breitbandlichtquelle gemäß 8;
• 10 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
• 11 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
• 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Breitbandlichtquelle 1 weist eine Primärlichtquelle 2 zur Erzeugung eines kohärenten Primärlichts 3 sowie eine Optik 4 zur Formung einer Primärstrahlung 5 auf. Die Breitbandlichtquelle 1 weist ferner ein als Sekundärlichtquelle dienendes flächig ausgebildetes Compound-Target 6 auf. Das Compound-Target 6 weist eine Lichteintrittsfläche 7 zum Eintreten der Primärstrahlung 5 und eine Lichtaustrittsfläche 8 zum Austreten eines breitbandigen Sekundärlichts 9 auf. Ferner weist das Compound-Target 6 ein Compound-Target-Material 10 zur Generierung des breitbandigen Sekundärlichts 9 auf.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist das Compound-Target-Material 10 im Inneren des Compound-Targets 6 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt.
• Das Compound-Target-Material 10 weist ein amorphes organisches Matrix-Material mit kristallinen Einschlüssen auf. Insbesondere weist das Compound-Target-Material 10 Siliziumsulfid-Moleküle mit diamantartiger Struktur in Form von Nanokristallen auf, welche von organischen Liganden umgeben sind. Die organischen Liganden weisen eine zufällige räumliche Ausrichtung auf und sind mit den Siliziumsulfid-Molekülen kovalent verbunden.
• Bedingt durch die zufällige räumliche Ausrichtung der organischen Liganden verhält sich das Compound-Target-Material als amorphes Material und weniger als polykristallines Material. Insbesondere sind auch die einzelnen Siliziumsulfid-Moleküle im Wesentlichen zufällig orientiert.
• Das Compound-Target-Material 10 weist eine optische Nichtlinearität mit Schwellverhalten auf, so dass die zur Generierung der breitbandigen Sekundärlichts führenden nichtlinearen Effekte bei einer Leistungsdichte der Primärstrahlung 5 oberhalb eines Schwellwerts einsetzen. Der Schwellwert der Leistungsdichte, bei dem die Generierung des breitbandigen Sekundärlichts einsetzt, liegt bei etwa 10 W/cm².
• Als Primärlichtquelle 2 wird hier eine Infrarot-Laser-Diode mit einer Peak-Wellenlänge in dem Bereich von etwa 800 nm bis 1500 nm eingesetzt. Das kohärente polarisierte Licht der Infrarot-Laser-Diode ist dazu geeignet, das Compound-Target-Material zu einer breitbandigen Lichtemission anzuregen.
• In einem anderen Ausführungsbeispiel wird statt einer Infrarot-Laser-Diode ein Continuous Wave (CW) Nd:YAG-Laser mit einer Peak-Wellenlänge bei etwa 1060 nm verwendet.
• Mit der Erhöhung der Leistungsdichte der Primärstrahlung über den Schwellwert wird ein steiler Anstieg in der Generierung des breitbandigen Sekundärlichts Lichts beobachtet, was auf das ausgeprägte Schwellverhalten der Compound-Target-Materials 10 zurückzuführen ist.
• Die Optik 4 kann insbesondere eine Linsenoptik bzw. eine Axikon-Optik umfassen.
• Die Breitbandlichtquelle 1 umfasst ferner einen Lichthomogenisierer 11, welcher im Strahlengang der Breitbandlichtquelle 1 aufgestellt ist.
• In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lichthomogenisierer 11 dem Compound-Target 6 vorgeschaltet, so dass die auf die Lichteintrittsfläche 7 des Compound-Targets 6 eintreffende Primärstrahlung 5 durch den Lichthomogenisierer 11 homogenisiert werden kann.
• Alternativ oder zusätzlich kann ein Lichthomogenisierer der Sekundärlichtquelle bzw. dem Compound-Target nachgeschaltet sein. Der der Sekundärlichtquelle nachgeschaltete Lichthomogenisierer kann die Homogenität der räumlichen Verteilung des breitbandigen Sekundärlicht weiter erhöhen, nachdem es die Sekundärlichtquelle verlassen hat.
• Durch das Vorsehen des Lichthomogenisierers wird dafür gesorgt, dass die auf das Schwellverhalten des Compound-Target-Materials 10 zurückzuführende Inhomogenität des aus der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichts beseitigt oder wenigstens vermindert werden kann. Insbesondere kann dadurch das Auftreten von „Hotspots“ in der Sekundärlichtquelle vermieden werden.
• 2 zeigt schematisch einen Lichthomogenisierer 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Zur Verdeutlichung der Funktion des Lichthomogenisierer 11 wird in 2 schematisch eine Intensitätsverteilung 17 des auf die Lichteintrittsfläche 13 des Lichthomogenisierers 11 einfallenden Lichts sowie eine Intensitätsverteilung 18 des aus der Lichtaustrittsfläche 14 des Lichthomogenisierers 11 austretenden Lichts gezeigt.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichthomogenisierer 11 als eine Streuscheibe 12 in Form einer Küvette ausgebildet, welche eine für das einfallende Licht transparente Emulsion aufweist. Die Emulsion weist eine äußere Phase 15 und eine innere Phase 16 auf. Die innere Phase 16 ist in Form von Tröpfchen in der äußeren Phase 15 der Emulsion im Wesentlichen gleichmäßig verteilt.
• Die räumliche Verteilung der Tröpfchen der inneren Phase 15 dient dazu, dass der Lichthomogenisierer 11 als ein optischer Diffusor fungiert, dessen Streuvermögen durch die Wahl der Emulsionskomponenten eingestellt werden kann. Insbesondere kann bei einer geeigneten Tröpfchengröße der inneren Phase 16 sowie des Brechungsindexverhältnisses zwischen der inneren Phase 16 und der äußeren Phase 15 das Streuvermögen der Streuscheibe 12 so gewählt werden, dass sie als Kleinwinkelstreuscheibe fungiert. Dies bedeutet, dass der Großteil, insbesondere wenigstens 80% des auf die Streuscheibe 12 eintreffenden Lichts in einem Winkelbereich von etwa -5° bis etwa +5°, insbesondere zwischen etwa -2° bis etwa +2° diffus gestreut wird.
• Durch derartige diffuse Streuung der Primärlichtstrahlung 5 kann die Intensitätsverteilung 18 homogenisiert werden, ohne die Lichtqualität der Primärstrahlung 5 bzw. die Ausrichtung und die Kohärenz der Primärstrahlung 5 zu beeinträchtigen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Tröpfchen der inneren Phase 16 derart dimensioniert, dass sie bei Raumtemperatur - d.h. bei einer Temperatur von etwa 20°C - eine Brownsche Bewegung ausführen. Durch die Brownsche Bewegung der Tröpfchen der inneren Phase 16 wird sowohl räumliche als auch zeitliche Randomisierung der Streuung erzielt, so dass die Bildung von Hotspots in der Leuchtdichtenverteilung der Sekundärlichtquelle stärker unterdrückt werden kann.
• 3 zeigt schematisch einen Lichthomogenisierer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Lichthomogenisierer 11 gezeigt, der ein Mikrolinsenarray 20 als streuendes Element aufweist. Der Lichthomogenisierer 11 ist aus einem für die Primärstrahlung transparenten Material ausgebildet und weist eine ebene Lichteintrittsfläche 13 und eine mit einem Mikrolinsenarray 20 versehene Lichtaustrittsfläche 14 auf. Das Mikrolinsenarray 20 umfasst eine Mehrzahl von zufällig verteilten Mikrolinsen 21 bzw. Mikrolinsensegmenten auf, die für eine Kleinwinkelstreuung sorgen, so dass die Intensitätsverteilung des aus dem Lichthomogenisierer 12 austretenden Lichtest 18 homogenisiert wird, ohne die Lichtqualität der Primärstrahlung 5 bzw. die Ausrichtung und die Kohärenz der Primärstrahlung 5 erheblich zu beeinträchtigen.
• 4 zeigt schematisch einen Lichthomogenisierer gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichthomogenisierer 11 als ein elektrooptischer Filter 22 ausgebildet. Der elektrooptische Filter 22 weist matrix-artig angeordnete elektrooptische Zellen 23 auf, die einzeln elektrisch ansteuerbar sind.
• Die elektrooptischen Zellen 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Pockels-Zellen ausgebildet. Durch individuelle elektrische Ansteuerung der Pockels-Zellen kann die Transmissivität der Zellen für das polarisierte Primärlicht gezielt herabgesetzt werden, um das Auftreten von Hotspots zu unterdrücken bzw. zu vermeiden.
• 5 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Breitbandlichtquelle 1 der 6 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der 2, wobei als Lichthomogenisierer 11 der elektrooptische Filter 22 mit matrix-artig angeordneten elektrooptischen Zellen 23 gemäß der 5 vorgesehen ist. Die Breitbandlichtquelle 1 der 6 weist einen Fotodetektor 24 zur Erfassung der Leuchtdichtenverteilung über der Lichtaustrittsfläche 8 des Compound-Targets 6 sowie eine Steuereinheit 26 zur Steuerung des elektrooptischen Filters 22 auf. Die Steuereinheit 26 umfasst eine Speichereinheit (nicht gezeigt) und eine Auswerteeinheit 27 zur Auswertung der von dem Fotodetektor 24 erfassten Leuchtdichtenverteilungsdaten, um das Auftreten von Inhomogenitäten bzw. Hotspots in der Leuchtdichtenverteilung des breitbandigen Sekundärlichts an der Lichtaustrittsfläche 8 festzustellen.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist der Fotodetektor 24 als eine CCD-Kamera ausgebildet, die ein Streulicht von wenigstens einem ausgedehnten Bereich der Lichtaustrittsfläche 8 des Compound-Targets 6 erfassen kann, um anhand des erfassten Streulichts auf die Homogenität der Leuchtdichtenverteilung über der Lichtaustrittsfläche 8 zurückzuschließen.
• Die Steuereinheit 26 ist derart konfiguriert, dass bei einer Feststellung eines Hotspots anhand der Auswertung von Leuchtdichtenverteilungsdaten die optische Durchlässigkeit der dem festgestellten Hotspot gegenüberliegenden Zelle bzw. die Zellen 23 des elektrooptischen Filters 23 herabgesetzt werden kann.
• 6 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Breitbandlichtquelle 1 der 7 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der 6, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Fotodetektor 24 als ein dem Compound-Target 6 nachgeschaltetes Fotodetektor-Array mit einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Zellen 25 ausgebildet ist. Das Fotodetektor-Array weist eine hohe Lichtdurchlässigkeit im spektralen Bereich des sekundären Breitbandlichts auf, so dass ein Großteil des sekundären Breitbandlichts ungestört das Fotodetektor-Array 24 passieren kann.
• 7 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Die Breitbandlichtquelle 1 der 8 entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der 7. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 6 sind der elektrooptische Filter 22, der Fotodetektor 24 sowie das Compound-Target 6 als eine zusammengesetzte Moduleinheit ausgebildet.
• Durch die modulare Ausbildung des Lichthomogenisierers zusammen mit dem Compound-Target und mit dem Fotodetektor-Array wird eine besonders kompakte und robuste Bauweise der Breitbandlichtquelle realisiert.
• 8 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
• Die Breitbandlichtquelle 1' weist eine Primärlichtquelle 2' zur Erzeugung eines kohärenten linear polarisierten Primärlichts 3' auf. Die Primärlichtquelle 2' ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Laserdiode ausgebildet. Das aus der Primärlichtquelle 2' ausgestrahlte Primärlicht 3' weist ein Gaußprofil auf, was in 8 durch die sich variierende Dichte der schematisch gezeigten Laserlichtstrahlen veranschaulicht wird.
• Ferner weist die Breitbandlichtquelle 1' eine Optik 4' zur Formung eines konvergierend zu einem Fokuspunkt 30 spitz zulaufenden Lichtkegels der Primärstrahlung 5' auf. Die Optik 4' ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Sammellinse ausgebildet.
• Die Breitbandlichtquelle 1' weist zudem eine Reihe von sich im Strahlengang der konvergierenden Primärstrahlung 5' befindenden jeweils als Sekundärlichtquelle dienenden flächigen Targets 6' auf, wobei die Targets 6' jeweils ein Compound-Target-Material bzw. Leuchtstoffmaterial gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 aufweisen. Die Targets 6' mit dem Compound-Target-Material weisen jeweils eine Lichteintrittsfläche und eine Lichtaustrittsfläche auf, die in 8 nicht gesondert abgebildet sind. Die Targets 6' sind jeweils in Form von gekrümmten Schichten mit dem Compound-Target-Material bzw. von gekrümmten Leuchtstoffschichten, und zwar in Form von im Wesentlichen konzentrisch bezüglich des Fokuspunktes 30 angeordneten Kugelsegmenten, ausgebildet. Das von der Optik 4' fokussierte Licht trifft auf die jeweilige Leuchtstoffschicht im Wesentlichen senkrecht bezüglich der jeweiligen Leuchtstoffschichtoberfläche auf.
• Bedingt durch das Gaußprofil bzw. das gaußartige Intensitätsprofil des Laserlichts ist die Lichtintensität der auf das erste Target 6' bzw. Targetschicht eintreffenden Primärstrahlung in der Strahlmitte bzw. in der Nähe der Lichtstrahlachse bzw. der optischen Achse der Breitbandlichtquelle 1' höher als in Randbereichen bzw. in den von der optischen Achse entfernten Bereichen, so dass die Intensitätsschwelle für den Einsatz des nichtlinearen Prozesses der Generierung des Breitbandlichts in dem ersten Target 6' zuerst im Mittelbereich der Targetschicht überschritten wird. Dies bedeutet, dass das auf die erste Targetschicht auftreffende Primärlicht zuerst im mittleren Bereich der ersten Leuchtstoffschicht in das breitbandige Licht umgesetzt wird. Entsprechend wird auch die Intensität des Primärlichts bzw. des Pumplichts beim Durchgang durch die erste Leuchtstoffschicht hindurch in der Strahlmitte am stärksten abnehmen. Mit zunehmendem Abstand r von der Lichtstrahlachse wird die Primärstrahlung aufgrund des Gaußprofils weniger abnehmen.
• Im Falle einer gerichteten Abstrahlung des breitbandigen Weißlichts wird auch das Sekundärlicht im Wesentlichen senkrecht zur der ersten Targetschicht abgestrahlt, so dass auch das sekundäre breitbandige Licht im Wesentlichen in dem Fokuspunkt 30 zusammenläuft.
• Das auf die zweite bzw. jede nächste Targetschicht eintreffende Licht wird Anteile des durch die erste bzw. vorherigen Targetschichten hindurchgegangenen Primärlichts und des in der ersten bzw. in den vorherigen Targetschichten generierten Sekundärlichts umfassen. Dieser Prozess wird entlang der Reihe der Targets derart fortgesetzt, dass in jedem nächsten Durchgang durch eine der Targetschichten der relative Anteil des Sekundärlichts zunimmt, und der relative Anteil des Primärlichts abnimmt.
• Aufgrund der konzentrischen Anordnung der Targetschichten kann die Abnahme der Leistungsdichte des Primärlichts von einem Target zu dem nächsten Target derart kompensiert werden, dass bei einer geeigneten Wahl der Abstände zwischen den einzelnen Targets 6' bzw. zwischen den einzelnen Leuchtstoffschichten die Eingangsleistungsdichte der Primärstrahlung an den Lichteintrittsflächen der Targetschichten in der Nähe der optischen Achse, insbesondere bei r = 0, im Wesentlichen gleichbleibt.
• Auf diese Weise kann ein effizientes Konversionsregime im Hinblick des Schwellverhaltens des Compound-Target-Materials für alle Leuchtstoffschichten erreicht werden. Insbesondere kann die Laserleistung und die Targetschichtkonfiguration, insbesondere die Abstände zwischen einzelnen Targetschichten, so gewählt werden, dass die Leistungsdichte der Primärstrahlung an den Lichteintrittsflächen von Targets leicht oberhalb, insbesondere um etwa 10% bis 20% oberhalb der Intensität bzw. Leistungsdichtenschwelle für den Einsatz der Breitbandemission liegt.
• Durch die konzentrische Anordnung der Targetschichten kann eine beim Passieren der Targetschichten auftretende Dekollimation des breitbandigen Sekundärlichts wenigstens teilweise kompensiert werden. Insbesondere in dem Fall, wenn sich der Leuchtstoff wie ein von dem Pumplicht induziertes „Phasen-Array“ verhält, kann durch die konzentrische Anordnung der Leuchtstoffschicht die auf die Beugung des Sekundärlichts an dem Phasen-Array zurückzuführende Strahlerweiterung des Sekundärlichts wenigstens teilweise kompensiert werden.
• Die Breitbandlichtquelle 1' kann in dem Strahlengang eine oder mehrere zusätzliche Kollimationsoptikelemente aufweisen. Die Kollimationsoptikelemente können in Form von Linsen, insbesondere in Form von Axicon-Linsen ausgebildet sein.
• Durch die zusätzlichen Kollimationsoptikelemente können beim Passieren der Targetschichten auftretende Strahlerweiterungen kompensiert werden. Insbesondere in dem Fall, in dem sich der Leuchtstoff wie ein von dem Pumplicht induziertes „Phasen-Array“ verhält, kann durch zusätzliche Kollimationsoptikelemente die auf die Beugung des Sekundärlichts an dem Phasen-Array zurückzuführende Strahlerweiterung des Sekundärlichts wenigstens zum Teil kompensiert werden.
• 9 zeigt eine Lichtintensitätsverteilung im Strahlengang der Breitbandlichtquelle gemäß 8.
• Die Lichtintensität in W/cm² wird in Abhängigkeit von dem radialen Abstand r in mm von der optischen Achse aufgetragen. Es sind zwei Gruppen bzw. Familien von Kurven zu sehen. Eine erste Gruppe 100 zeigt die Lichtintensitätsverteilung des monochromatischen Laserlichts vor der ersten bzw. vor jeder weiteren der Targetschicht. Der breite Pfeil in dieser Gruppe 100 verdeutlicht die Änderung des Intensitätsprofils des monochromatischen Primärlichts nach jedem Durchgang durch die jeweilige Targetschicht, und zwar von der Optik 4' zu dem Fokuspunkt 30 hin.
• Die zweite Gruppe 50 zeigt die Lichtintensitätsverteilung des breitbandigen Weißlichts vor der jeweiligen Targetschicht. Der breite Pfeil in der zweiten Gruppe 50 verdeutlicht die Änderung der Intensitätsverteilung des breitbandigen Weißlichts nach der jeweiligen Targetschicht.
• Diese in 9 gezeigten Intensitätsverteilungen sind Ergebnis einer Simulation, die bei einer äquidistanten Anordnung von 19 Targets 6' erzielt wurden. Es wird von einer stark ausgeprägten Nichtlinearität mit einem resonanten Schwellverhalten ausgegangen. Die Breitbandlichtemission mit einem ausgeprägtem Schwellverhalten wird als eine Potenzfunktion der Pumplichtintensität angesetzt, wobei der Zuwachs ΔI_Vis (i) der Weißlichtintensität bei dem Durchgang durch die jeweilige Targetschicht i durch folgende Formel gegeben wird: $$\Delta {\text{I}}_{\text{Vis}}\left(\text{i}\right)=\mathrm{\eta \ast }{\text{I}}_{\text{NIR}}{\left(\text{i}\right)}^{\text{N}}$$

  
• Hier ist I_NIR (i) die Pumplichtintensität des auf der Lichteintrittsfläche der Targetschicht i auftreffenden Primärlichts. N ist der Exponent, wobei in dieser Simulation N = 8 ist, was einem stark ausgeprägten nichtlinearen Schwellverhalten entspricht.
• Entsprechend verringert sich die Pumplichtintensität bei jedem Durchgang durch die jeweilige Targetschicht i: $${\text{I}}_{\text{NIR}}\left(\text{i}\right)={\text{I}}_{\text{NIR}}\left(\text{i}-\text{1}\right)-\text{k*}\Delta {\text{I}}_{\text{Vis}}\left(\text{i}\right)$$

  
• Die Faktoren η und k hängen von der Targetkonfiguration ab, und können durch Wahl der Targetgeometrie variiert werden. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Targets beträgt in dieser Simulation 2 mm. Der Strahlradius bzw. Halbwertsbreite des Primärlichtstrahls an der Startposition, welche einer Position unmittelbar nach der Optik 4' vor dem ersten Target 6' entspricht, beträgt 10 mm. Der Fokuspunkt 30 liegt in einem Abstand von 100 mm von der Startposition
• Wie man der 9 entnehmen kann, kommt es beim Durchgang durch die Reihe der Targets 6' zu einer Abflachung der Pumplichtintensität und die Intensitätsverteilung des Primärlichts nähert sich mit jedem Durchgang durch jeweils weitere Targetschicht 6' der idealen Stufenfunktion bzw. dem idealen Flat-Top-Profil an. Die Simulation der Intensitäten von Pump- und Weißlicht zeigt zudem, dass man die Position von Targets 6' bzw. die Abstände zwischen den Targets 6' so wählen kann, dass die Pumpintensität des Primärlichts an der optischen Achse I_NIR bei r = 0 kaum zunimmt. Aufgrund dieser Anordnung der Leuchtstoffschichten kommt es somit zu einer Art Autohomogenisierung der Lichtverteilung, und zwar dadurch, dass die Intensitätsverluste des Primärlichts im mittleren Bereich der Lichtverteilung durch die strahlfokussierende Anordnung mit der konvergierenden Primärstrahlung bei gleichzeitiger Abflachung der Intensitätsverteilung ausgeglichen wird.
• Durch das Abflachen des Strahlprofils in der Mitte wird zudem erreicht, dass bei jedem nachfolgenden Target der aktive Bereich bzw. der Bereich, in dem die Pumpleistung oberhalb der Schwellleistung liegt, vergrößert wird, ohne im Mittelpunkt bzw. an der optischen Achse den Schwellwert von etwa 10 W / cm² für die Pumpleistung deutlich zu überschreiten. Auf diese Weise werden größere Bereiche der Targets in einem optimalen Regime der Breitbandlichtgenerierung betrieben, insbesondere kann dadurch das Einsetzen von auf die lokale Überlastung bzw. Überhitzung zurückzuführenden irreversiblen Prozessen verlangsamt werden, wodurch eine längere Lebensdauer der Lichtquelle erreicht werden kann.
• 10 zeigt einen schematischen Aufbau einer Breitbandlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
• Die Breitbandlichtquelle 1'' weist eine Primärlichtquelle 2'' zur Erzeugung eines kohärenten Primärlichts 3'' auf, welche auf einer optischen Achse 52 der Breitbandlichtquelle 1'' angeordnet ist. Die Primärlichtquelle 2'' ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Infrarot-Laser-Diode ausgebildet, die ein Primärlicht bzw. Pumplicht mit einer Peak-Wellenlänge bei 850 nm erzeugt. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird statt einer Infrarot-Laser-Diode ein CW Nd:YAG-Laser mit einer Peak-Wellenlänge bei etwa 1060 nm verwendet. Der Primärlichtquelle 1'' ist eine Linse 4'' zur Formung des Primärlichts 3'' zu einem Primärlichtstrahl nachgeschaltet.
• Die Breitbandlichtquelle 1'' weist ferner einen Strahlaufweiter 60 auf, der in Form eines Axikon-Optik-Elements ausgebildet ist. Der Strahlaufweiter 60 umfasst einen ersten teillichtdurchlässigen Planspiegel 62, einen dem ersten Planspiegel 62 gegenüberliegenden zweiten teillichtdurchlässigen Planspiegel 63 und eine Lichtaustrittsplatte 75.
• Mittig in dem Strahlaufweiter 60 ist ein konischer Spiegel 70 zur Aufteilung des auf den Strahlaufweiter 60 eintreffenden Lichtstrahls vorgesehen. Die Breitbandlichtquelle 1'' weist ferner einen ringförmigen Spiegel 72 und eine Lichtaustrittsplatte 75 auf. Der Lichtaustrittsplatte 75 ist eine Diffraktivstruktur 80 zur Kollimierung des aus der Lichtaustrittsplatte 75 austretenden Breitbandlichts nachgeschaltet.
• Der erste Planspiegel 62 ist wenigstens bereichsweise mit einem Leuchtstoff, insbesondere mit dem Compound-Targetmaterial gemäß den vorhergehenden Ausführungsbeispielen zur Erzeugung eines breitbandigen Sekundärlichts versehen. Der zweite Planspiegel 63 ist für das infrarote Pumplicht spiegelnd, während er für das sichtbare Licht lichtdurchlässig ist.
• Der kollimierte Primärlichtstrahl tritt durch die Lichteintrittsfläche 61 des Strahlaufweiters 60 in den Lichtaufweiter 60 ein und trifft auf den konischen Spiegel 70 auf, der in Form eines axial gegen den Primärlichtstrahl zeigenden konischen Spiegels mit einem Öffnungswinkel von etwa 90° ausgebildet ist. Das von dem konischen Spiegel 70 verteilte Licht verbreitet sich radial bzw. in allen Richtungen senkrecht zu der optischen Achse und triff auf einen zweiten Spiegel 72 auf, welcher in Form eines Konussegments bzw. in Form eines Rings mit einer konischen Spiegelfläche ausgebildet ist. Das Primärlicht wird an dem Spiegel 72 unter einem scharfen Winkel bezüglich der optischen Achse 52 des Kollimationsoptikelements derart reflektiert, das das Licht mehrfache Reflexion zwischen dem ersten Planspiegel 62 und dem zweiten Planspiegel 63 erfährt.
• Beispielhaft werden in 11 aus der Lichtaustrittsplatte 75 austretenden Strahlen von zwei Wellenlängen dargestellt. Die fein gestrichelte Linie 100 stellt einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 450 nm dar und die grob gestrichelte Linie 200 stellt einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 750 nm dar. Die Primärlichtstrahlen werden dagegen durch durchgezogene Linien 300 dargestellt.
• Bedingt durch die Dispersion des breitbandigen Lichts an der Lichtaustrittsplatte 75 wird das in dem Leuchtstoff erzeugte breitbandige Sekundärlicht spektral aufgefächert bzw. in monochromatische Anteile zerlegt, wobei einer bestimmten Wellenlänge entsprechender Lichtanteil die Lichtaustrittsplatte 75 unter jeweils einem bestimmten Austrittswinkel verlässt, so dass das aus der Lichtaustrittsplatte 75 bzw. der Auskoppelplatte austretende Licht unterschiedlicher Wellenlänge mit der diffraktiven Sammeloptik auf einfache Weise zu einem Punkt geführt werden kann.
• In einem Ausführungsbeispiel ist der Sammeloptik eine Multimodefaser mit einer Lichteinkoppelstelle und mit einer Lichtauskoppelstelle nachgeschaltet, wobei die Multimodefaser bezüglich des Fokuspunkts derart angeordnet ist, dass das fokussierte Breitbandlicht in die Lichteinkoppelstelle der Multimodefaser einkoppelbar und durch die Auskoppelstelle auskoppelbar ist. Auf diese Weise kann eine flexibel einsetzbare kompakte Breitbandlichtquelle bereitgestellt werden.
• 11 zeigt einen schematischen Aufbau einer Abstandsmessvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Abstandsmessvorrichtung 400 gemäß der 11 weist eine Breitbandlichtquelle 1', ein Spektrometer 450 und eine Auswerteeinheit 500 auf. Die Abstandsmessvorrichtung 100 weist ferner eine zur Durchführung eines optischen Messverfahrens ausgebildete Messoptik 600 auf, die ebenfalls schematisch dargestellt ist. 11 zeigt ferner eine Blendenvorrichtung 601 zur Formung eines Messlichtstrahls zur Einkopplung in die Messoptik 600, ein zu vermessendes Messobjekt 700 und die Strahlrichtung des breitbandigen Lichtes, die durch breite Pfeile 800 symbolisch dargestellt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Messoptik 600 als eine chromatisch-konfokale Messoptik ausgebildet. Die Auswerteeinheit 500 ist zur Ermittlung eines das Messobjekt betreffenden Abstandes anhand des vom Spektrometer erfassten und gemäß dem chromatisch-konfokalen Verfahren ausgewerteten Lichtspektrums ausgebildet. In einer alternativen Ausführung ist die Messoptik als eine OCT-Messoptik ausgebildet und die Auswerteeinheit ist zur Ermittlung eines das Messobjekt betreffenden Abstandes anhand des vom Spektrometer erfassten und gemäß dem spektralinterferometrischen Verfahren ausgewerteten Lichtspektrums ausgebildet.
• Als Breitbandlichtquelle kann eine Breitbandlichtquelle nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet werden. In der in 11 gezeigten Abstandsmessvorrichtung 400 wird eine Breitbandlichtquelle 1' gemäß dem Ausführungsbeispiel der 8 verwendet. Die Breitbandlichtquelle 1' weist eine Multimodefaser (nicht gezeigt) mit einer Lichteinkoppelstelle und mit einer Lichtauskoppelstelle auf, wobei die Multimodefaser derart bezüglich des Fokuspunkts 30 der Breitbandlichtquelle angeordnet ist, dass das fokussierte Breitbandlicht in die Lichteinkoppelstelle der Multimodefaser einkoppelbar und durch die Auskoppelstelle auskoppelbar ist. Die Multimodefaser kann auch als Teil der Messoptik 600 ausgebildet sein.
• Im Betrieb der Abstandsmessvorrichtung 400 wird das von der Breitbandlichtquelle 1' erzeugte breitbandige Licht über die Multimodefaser in die Messoptik 600 eingespeist. Die Messoptik ist derart ausgebildet, dass das Messobjekt 700 mit dem breitbandigen Licht angestrahlt werden kann, wobei das von dem Messobjekt 700 zurückreflektierte Licht durch die Messoptik erfasst und durch eine Auskoppelstelle (nicht gezeigt) der Messoptik zur Erfassung durch das Spektrometer 450 ausgekoppelt werden kann.
• Das Lichtspektrum des von dem Messobjekt 700 zurückreflektierten und vom Spektrometer erfassten Lichts wird durch die Auswerteeinheit 500 gemäß einem spektralinterferometrischen oder dem chromatisch-konfokalen Verfahren ausgewertet, um den gesuchten das Messobjekt betreffenden Abstand zu ermitteln.
• Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1, 1', 1''

Breitbandlichtquelle

2, 2', 2''

Primärlichtquelle

3, 3', 3''

Primärlicht

4, 4', 4''

Optik

5

Primärstrahlung

6, 6'

Target

7

Lichteintrittsfläche des Targets

8

Lichtaustrittsfläche des Targets

9

Sekundärlicht

10

Compound-Target-Material

11

Lichthomogenisierer

12

Streuscheibe

13

Lichteintrittsfläche der Kleinwinkelstreuscheibe

14

Lichtaustrittsfläche der Kleinwinkelstreuscheibe

15

äußere Phase

16

innere Phase

17

Intensitätsverteilung des nicht homogenisierten Primärlichts

18

Intensitätsverteilung des homogenisierten Primärlichts

19

homogenisiertes Primärlicht

20

Mikrolinsenarray

21

Mikrolinsengrenzfläche

22

elektrooptischer Filter

23

elektrooptische Zelle

24

Fotodetektor

25

Fotodetektorzelle

26

Steuereinheit

27

Auswerteeinheit

30, 30'

Fokuspunkt

40

Intensitätsverteilung des Pumplichts

50

Intensitätsverteilung des Sekundärlichts

52

optische Achse

60

Strahlaufweiter

61

Lichteintrittsfläche

62

erster Planspiegel

63

zweiter Planspiegel

70

Strahlteiler

72

ringförmiger Spiegel

75

Lichtaustrittsplatte

80

Diffraktivstruktur

100

Lichtstrahl einer ersten Wellenlänge

200

Lichtstrahl einer zweiten Wellenlänge

300

Primärlichtstrahl

400

Abstandsmessvorrichtung

450

Spektrometer

500

Auswerteeinheit

600

Messoptik

601

Blendenvorrichtung

700

Messobjekt

800

Strahlrichtung

Claims (20)

1. Abstandsmessvorrichtung, aufweisend: - eine Breitbandlichtquelle (1, 1', 1") zur Erzeugung eines Breitbandlichts, - eine mit dem Breitbandlicht über eine Blendenvorrichtung (601) einspeisbare zur Durchführung eines optischen Messverfahrens an einem Messobjekt ausgebildete Messoptik (600), - ein Spektrometer (450), ausgebildet zur Erfassung des Lichtspektrums des von dem Messobjekt (700) in die Messoptik (600) zurückreflektierten und aus der Messoptik (600) ausgekoppelten Lichts, - eine Auswerteeinheit (500), ausgebildet zur Ermittlung eines das Messobjekt (700) betreffenden Abstandes anhand des vom Spektrometer (450) erfassten und gemäß einem spektralinterferometrischen oder chromatisch-konfokalen Verfahren ausgewerteten Lichtspektrums, wobei die Breitbandlichtquelle eine Primärlichtquelle (2, 2') zur Erzeugung eines kohärenten linear polarisierten Primärlichts, wenigstens ein als Sekundärlichtquelle dienendes dünnes Target (6, 6') zur Erzeugung eines gerichteten breitbandigen Lichts und eine Optik (4, 4') zur Formung des Primärlichts zu einer auf das Target (6, 6') gerichteten Primärstrahlung aufweist, wobei das Target (6, 6') ein Compound-Target-Material (10) zur Generierung des gerichteten breitbandigen Lichts aufweist, wobei die Breitbandlichtquelle (1') eine Reihe von sich im Strahlengang der konvergierenden Primärstrahlung befindenden als Sekundärlichtquelle dienenden koaxial zu einer optischen Achse der Breitbandlichtquelle (1') angeordneten Targets (6') umfasst, welche jeweils eine Lichteintrittsfläche zum Eintreten der Primärstrahlung und eine Lichtaustrittsfläche zum Austreten eines breitbandigen Sekundärlichts aufweisen, und wobei die Primärlichtquelle (2') ein gaußartiges Intensitätsprofil des Primärlichts aufweist, wobei die Optik (4') zur Formung eines spitz zulaufenden Lichtkegels einer konvergierenden Primärstrahlung ausgebildet ist, und wobei das wenigstens eine Target (6´) in Form von derart gekrümmten Schichten ausgebildet ist, dass die konvergierende Primärstrahlung wenigstens bereichsweise senkrecht auf der jeweiligen Lichteintrittsfläche des jeweiligen Targets (6') auftreffen kann.
2. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstandsmessvorrichtung (400) als eine tragbare, insbesondere als eine an einer Koordinatenmessmaschine ansteckbare, Abstandsmessvorrichtung mit autonomer Energieversorgung ausgebildet ist.
3. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Strahlengang der Breitbandlichtquelle (1) ein dem Target (6) vorgeschaltete Lichthomogenisierer (11) zur Unterdrückung von auf das Schwellverhalten des Compound-Target-Materials (10) zurückzuführenden Inhomogenitäten in der Leuchtdichtenverteilung des Targets (6) angeordnet ist.
4. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Lichthomogenisierer (11) eine Streuscheibe (12), insbesondere eine Kleinwinkelstreuscheibe umfasst.
5. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kleinwinkelstreuscheibe (12) eine lichtstreuende Emulsion aufweist, welche eine äußere Phase (15) mit einem ersten Brechungsindex n_a und eine innere Phase (16) mit einem zweiten Brechungsindex ni umfasst, und wobei das Verhältnis der Brechungsindizes n_a/n_i im Bereich zwischen 0,9 und 1,1, insbesondere zwischen 0,95 und 1,05 liegt.
6. Abstandsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Breitbandlichtquelle (1) eine Fokussierlinse zum Fokussieren des vom Target (6) ausgestrahlten Sekundärlichts auf die Blendenvorrichtung (601) aufweist.
7. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtkegel der konvergierenden Primärstrahlung zu einem Fokuspunkt (30) spitz zuläuft, und wobei die Targets (6') als konzentrisch bezüglich des Fokuspunkts (30) angeordnete Kreissegmente ausgebildet sind.
8. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, wobei die Targets (6') derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass die räumliche Verteilung der Pumpleistungsdichte an den Lichteintrittsflächen von aufeinanderfolgenden Targets (6') entlang des Strahlengangs eine Tendenz zur Bildung eines Plateaus in einem mittleren Bereich der Intensitätsverteilung aufweist.
9. Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 7 oder 8, wobei die Primärlichtquelle (2) derart einstellbar ist, dass die Leistungsdichte der Primärstrahlung an den Lichteintrittsflächen der Targets (6') in der Nähe der optischen Achse den Schwellwert nicht um mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als um 10 % übersteigt.
10. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Breitbandlichtquelle einen Strahlaufweiter (60), einen ersten senkrecht zu einer optischen Achse ausgerichteten Planspiegel (62), einen zu dem ersten Planspiegel (62) parallel ausgerichteten zweiten Planspiegel (63) sowie einen konischen Spiegel (70) umfasst, und wobei der erste Planspiegel (60) das Compound-Target-Material zur Generierung des breitbandigen Sekundärlichts aufweist, wobei der Strahlaufweiter (60) derart ausgebildet ist, dass die durch den konischen Spiegel (70) aufgeteilte Primärstrahlung eine Mehrfachreflexion zwischen dem ersten Planspiegel (62) und dem zweiten Planspiegel (63) erfahren kann.
11. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der zweite Planspiegel (63) in Form einer für das breitbandige Sekundärlicht durchlässigen Platte ausgebildet ist.
12. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei der konische Spiegel (70) axial gegen der Primärlichtstrahlung ausgerichtet ist.
13. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Strahlaufweiter (60) einen koaxial zu dem konischen Spiegel (70) angeordneten ringförmigen Spiegel (72) mit einer bezüglich der optischen Achse geneigten Spiegelfläche aufweist.
14. Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Breitbandlichtquelle eine dem Lichtaufweiter (60) nachgeschaltete Sammeloptik (80) aufweist.
15. Abstandsmessvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Compound-Target-Material (10) eine Mischung mit einem amorphen organischen und mit einem kristallinen nichtorganischen Material aufweist.
16. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Compound-Target-Material (10) IV-VI-halbleiterbasierte Cluster-Moleküle und an den IV-VI-halbleiterbasierten Cluster-Molekülen mit kovalenter Bindung angebundene organische Liganden umfasst.
17. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die IV-VI-halbleiterbasierten Cluster-Moleküle als Zinnsulfid-Moleküle oder als Germaniumsulfid-Moleküle mit diamantartiger Struktur ausgebildet sind.
18. Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die organischen Liganden zufällige räumliche Ausrichtung aufweisen und jeweils einen Benzol-Ring und eine Vinylgruppe umfassen.
19. Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei als Primärlichtquelle (2) eine im nahinfraroten Spektralbereich emittierende Laserlichtquelle vorgesehen ist, die eine Peak-Wellenlänge zwischen 800 nm und 1500 nm, insbesondere zwischen 900 nm und 1100 nm, aufweist.
20. Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Schwellwert der Leistungsdichte für den Einsatz des nichtlinearen Prozesses der breitbandigen Emission zwischen 5 W/cm2 bis 100 W/cm2, insbesondere zwischen 10 W/cm2 bis 50 W/cm2 liegt.

Images