DE102018209448A1

DE102018209448A1 - Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion und Verwendung einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018209448A1
Application number: DE102018209448.9A
Authority: DE
Inventors: Joachim Janes
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-12-19

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Nachweislicht, das von einer zu untersuchenden Oberfläche ausgeht, vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst einen 2D MEMS Scanner mit einem Mikrospiegel, der ausgebildet ist, um zwei Torsionsachsen zu oszillieren, und einer Messvorrichtung, die die Auslenkwinkel der zwei Torsionsachsen erfasst. Weiterhin sind eine Analysevorrichtung, die mindestens eine sammelnde Linsenanordnung und eine Lochblende aufweist, wobei die Linsenanordnung ausgebildet ist, das von der Oberfläche ausgehende und von dem Mikrospiegel abgelenkte Nachweislicht auf die Apertur der Lochblende zu fokussieren, ein Detektor, der nicht ortsauflösend ist und ausgebildet ist, das durch die Apertur der Lochblende geleitetes Nachweislicht unabhängig von einem Ort auf der zu untersuchenden Oberfläche als Messdaten zu erfassen, und eine Auswertevorrichtung, die ausgebildet ist, die von der Messvorrichtung des 2D MEMS Scanners erfassten Auslenkwinkel mit den von dem Detektor gelieferten Messdaten in zeitabhängiger Weise zu korrelieren und ein zweidimensionales Bild zu erzeugen, umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Abtasttechnik von Proben mittels Scanner und betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion und Verwendung einer solchen Vorrichtung.
MEMS Scanner zum Umlenken von Strahlung in Projektionsvorrichtungen sind allgemein bekannt und werden in letzter Zeit auch in LIDAR Systemen zu Abstandsmessung eingesetzt, bei denen ein Raumwinkelbereich mittels des Scanners abgetastet wird und die von einem Hindernis rückgestrahlte Strahlung erfasst wird.
Weiterhin werden solche Scanner in Laser-Scanning-Mikroskopen eingesetzt, beispielsweise wird in der DE 10 2014 107 606 A1 ein solches Mikroskop offenbart, das einen optischen Beleuchtungsstrahlengang und einen Detektionsstrahlengang aufweist, wobei der Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang optische Mittel zur Konfiguration einer Laserbeleuchtung, einen Scanner zur Abtastung einer Probe mit der Laserbeleuchtung und einen Strahlteiler zur Trennung von Beleuchtungs- und Detektionslicht umfasst. Als Detektor wird ein Bildsensor in Form eines Arrays aus Fotodioden verwendet. Ein solches Mikroskop ist üblicherweise ortsgebunden und weist viele optische Bauelemente auf, so dass ihre Zuordnung untereinander sehr komplex ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Proben zu schaffen, die mit relativ wenig optischen Bauelementen einfach und leicht im Aufbau ist, vielfältig einsetzbar und nicht ortsgebunden ist und auch eine Abtastung von Proben bzw. Oberflächen in weiterer Entfernung gestattet, wobei das von der Oberfläche ausgehende Licht auf einem einzigen Detektor nachweisbar sein soll und eine ortsaufgelöste Darstellung in zwei Dimensionen möglich sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen vorgegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Nachweislicht, das von einer zu untersuchenden Oberfläche ausgeht, umfasst einen 2D MEMS Scanner mit einem Mikrospiegel, der ausgebildet ist, um zwei Torsionsachsen zu oszillieren, und einer Messvorrichtung, die die Auslenkwinkel der zwei Torsionsachsen erfasst, eine Analysevorrichtung, die mindestens eine sammelnde Linsenanordnung und eine Lochblende aufweist, wobei die Linsenanordnung ausgebildet ist, das von der Oberfläche ausgehende und von dem Mikrospiegel abgelenkte Nachweislicht auf die Apertur der Lochblende zu fokussieren, einen Detektor, der nicht ortsauflösend ist und ausgebildet ist, das durch die Apertur der Lochblende geleitete Nachweislicht unabhängig von einem Ort auf der zu untersuchenden Oberfläche als Messdaten zu erfassen, und eine Auswertevorrichtung, die ausgebildet ist, die von der Messvorrichtung des 2D MEMS Scanners erfassten Auslenkwinkel mit den von dem Detektor gelieferten Messdaten in zeitabhängiger Weise zu korrelieren und ein zweidimensionales Bild zu erzeugen.
Erfindungsgemäß kann das von Oberflächen ausgehende Licht mit einer Anordnung aus einem 2D MEMS Scanner, einer sammelnden Linsenanordnung und einer Lochblende nach Art einer Lochkamera in zwei Dimensionen ortsaufgelöst gesammelt werden und in einem lichtempfindlichen Detektor ohne Ortsauflösung nachgewiesen werden. Das von dem Mikrospiegel abgelenkte, im Wesentlichen parallele Nachweislicht wird dabei von der sammelnden Linsenanordnung auf die Apertur der Lochblende in der Brennebene fokussiert. Eine Auswertevorrichtung, die die von dem 2D MEMS Scanner gemessenen Messwerte der jeweiligen Winkelstellungen des Mikrospiegels in den zwei Torsionsachsen sowie die zeitlich dazu zugeordneten Messdaten des Detektors empfängt, korreliert die Messwerte und Messdaten miteinander und kann somit ein zweidimensionales ortsaufgelöstes Bild erzeugen. Ein wesentliches Merkmal des 2D MEMS Scanner ist, dass der Mikrospiegel einen einzigen Pivotpunkt aufweist, der auch der Kreuzungspunkt der beiden Schwingungsachsen des 2D MEMS Scanners ist. Für die Bilderzeugung ist die genaue Kenntnis der Winkelstellung des Mikrospiegels des Scanners in beiden Achsen wichtig. Für die Messung der Winkelstellung der zwei Winkelkoordinaten können beispielsweise kapazitive Auslesemethoden, optische positionsempfindliche Detektoren, Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische Methoden u.a. angewandt werden.
Es wird in der Anmeldung vereinfacht von Nachweislicht bzw. Beleuchtungslicht gesprochen. Diese Begriffe sollen gegebenenfalls auch solche Strahlung einschließen, die im nicht sichtbaren Spektralbereich liegt.
Es wird somit eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Nachweislicht, das von einer zu untersuchenden Oberfläche ausgeht, zur Verfügung gestellt, die einfach im Aufbau ist, vielfältig einsetzbar und sowohl in einer ortsfesten als auch ortsunabhängigen Detektionsanordnung verwendbar ist und nur einen einfachen Detektor, der nicht ortsauflösend ist, benötigt.
Vorzugsweise ist der Detektor ein Ein-Pixel Detektor bzw. ein Single Pixel Detektor. Beispielsweise ist der Detektor als Fotodiode vorzugsweise als Avalanche Fotodiode ausgebildet.
In einem Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser der Apertur der Lochblende zwischen 1 und 10 µm und der Durchmesser des Mikrospiegels zwischen 1 und 3 mm. Die Ortsauflösung des 2D Bildnachweises wird, neben der optischen Qualität der anderen Bauelemente, im Wesentlichen durch den Durchmesser der Apertur der Lochblende bestimmt. Der Einbau einer sehr kleinen Apertur mit Durchmessern zwischen 1 µm und 10 µm ergibt eine Auflösung eines 2D Bildes in einem Abstand zwischen Oberfläche und Scanner von einigen Metern bis einigen 10 m, die nur durch den Durchmesser des 2D MEMS Scanners bzw. dessen Mikrospiegel definiert ist. Wenn beispielsweise in dem Raumwinkel, der von der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesehen wird, ungefähr 5-50nW/mm² Bestrahlungsstärke durch natürliches oder künstliches Licht auftritt und diese vollständig über den 2D MEMS Scanner und die Apertur der Lochblende auf einen genügend empfindlichen Detektor fokussiert wird, lässt sich das von natürlichem Licht bestrahlte Oberflächenelement mit einem Detektor mit einer Foto-Sensitivität von einigen A/W, z.B. der Avalanche Fotodiode APD optisch gut nachweisen. Der Einfangquerschnitt ist definiert durch den Spiegeldurchmesser des 2D MEMS Scanners (z.B. zwischen 1-3mm) sowie den Durchmesser der Apertur (z.B. 1-10gm). Durch diese geometrischen Randbedingungen ist die Lichtintensität definiert, die durch die Apertur tritt und mit dem Detektor nachgewiesen werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel ist die sammelnde Linsenanordnung als Apochromat ausgebildet. Ein Apochromat kann in bekannter Weise zur Abbildung von gescanntem Licht für das sichtbare Spektrum verwendet werden. Der Apochromat stellt sicher, dass die Lage des Brennpunkts (in z-Richtung) unabhängig von der Wellenlänge ist, wobei die z-Richtung hier durch die gedachte Linie, die sowohl durch den Mittelpunkt der z.B. 10 µm betragenden Apertur als auch durch den Mittelpunkt der Apochromat-Linsen verläuft und die ggf. auch die optische Achse ist, definiert ist. Hochwertigere Apochromate erreichen eine Position des Brennpunkts unabhängig von der Wellenlänge besser als 1 µm. Die erreichbare Bildauflösung ist abhängig von der Positionsgenauigkeit des Brennpunkts.
Je nach Anwendungsfall kann die Analysevorrichtung mindestens ein optisches Bauelement zur Analyse und zur Diskriminierung, wie eine Abbildungslinse, ein Kantenfilter, Bandpassfilter, diffraktive Elemente, akusto-optische Modulatoren, umfassen, das zwischen Lochblende und Detektor angeordnet ist. Durch diese optischen Bauelemente ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung an die vorgegebenen Anwendungsbedingungen, z.B. in der spektralen Analytik oder Fluoreszenzanalytik an gewünschte Wellenlängen oder - bereiche anzupassen. Es ist auch z.B. möglich, ein optisches System zur Bestimmung von Farbkoordinaten, ein Filtersysteme zur Bestimmung von RGB-Daten (Rot-Grün-Blau Intensitäten) oder andere Nachweismethoden zu integrieren. Dabei kann auch ein RGB Ein-Pixel Detektor verwendet werden, der mehrere, üblicherweise drei oder vier als Sub-Pixel bezeichnete Fotodetektoren unterschiedlicher Wellenlängenbereiche aufweist, die gleichzeitig beleuchtet werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist anstelle der natürlichen Beleuchtung eine die zu untersuchende Oberfläche beleuchtende Beleuchtungsvorrichtung vorgesehen, deren Strahlengang über den Mikrospiegel auf die zu untersuchende Oberfläche geführt ist. Dabei ist der Beleuchtungsstrahlengang teilweise bzw. streckenweise kollinear mit dem Strahlengang des Nachweislichts ist. Vorzugsweise weist die Beleuchtungsvorrichtung einen Laser auf, dessen Beleuchtungslicht polarisiert ist oder dem ein polarisierendes optisches Bauelement nachgeschaltet ist. Ein dichroitischer Spiegel zum Durchlassen des Beleuchtungslichts auf den Mikrospiegel und zum Umlenken des Nachweislichts auf die Linsenanordnung ist zwischen Beleuchtungsanordnung und Mikrospiegel angeordnet.
In der genannten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Beleuchtung von Oberflächen, deren Eigenschaft untersucht werden soll, durch gescanntes Laserlicht vorgenommen. Bei dieser Aufgabe geht es erstens darum, einen Laserstrahl derart auf den 2D MEMS Scanner zu lenken, dass er die Oberflächen innerhalb des Scanbereichs ausleuchtet, und zweitens darum, das dabei entstehende Streulicht so weit zu unterdrücken, dass es die Sensitivität eines Fotodetektors nicht beeinträchtigt. Bei dieser Detektionsweise wird sowohl das beleuchtende Laserlicht mit einer hohen Intensität als auch das Nachweis- oder Detektionslicht mit einer sehr niedrigen Intensität durch den 2D MEMS Scanner reflektiert, wobei das Nachweislicht auf die Apertur der Lochblende durch den dichroitischen Spiegel umgelenkt wird. Die Beleuchtungskoordinaten des Laserspots und die Koordinaten der Detektionspixel werden durch die Winkelstellung des 2D MEMS Scanners definiert, wobei sie bekannt und identisch sind.
Um Streulicht, das von der Oberfläche einer Probe oder der Oberfläche des Mikrospiegels ausgeht, zu verringern, ist in dem Strahlengang des Nachweislichts vor der sammelnden Linsenanordnung ein polarisierendes optisches Element, beispielsweise ein dichroitischer Spiegel angeordnet, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts ist. Das Maß des Streulichts, das an den Oberflächen des dichroitischen Spiegels und an dem 2D MEMS Scanner entsteht, hängt von der Qualität dieser Oberflächen ab, d.h. in erster Linie, wie groß die Dichte der Fehlstellen, z.B. Mikrokratzer, ist. Durch das polarisierende optische Element kann der polarisierte Anteil des Streulichts nennenswert unterdrückt werden und der unpolarisierte Anteil des Streulichts kann ungefähr zu 50% unterdrückt werden. Je besser die Streulichtunterdrückung ist, desto sensitiver kann der Detektor für das nachzuweisende Licht ausgelegt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, wie schon ausgeführt in vielfältiger Verwendung eingesetzt werden. So liegt eine Einsatzmöglichkeit in der Kolorimetrie z.B. für Pflanzenanalytik mit direkter Tageslichtbeleuchtung. Hier soll ein Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der optischen Pflanzenanalytik geschildert werden, wobei damit keine Einschränkung der Allgemeinheit hinsichtlich der Anwendung unterschiedlicher Analysemethoden verbunden ist. MEMS Scanner ermöglichen es, optische, nicht invasive Analysemethoden anzuwenden und dabei Daten reflektierender Oberflächen aufzunehmen und zu parametrisieren. Diese Methode kann dahingehend angewendet werden, mit Licht, das von Pflanzenoberflächen ausgeht, Daten von Pflanzenparametern zu analysieren. Die Analyse von Pflanzeneigenschaften bietet einen großen Nutzen z.B. für das Erkennen pflanzenphysiologischer Reaktionen auf biologischen und nichtbiologischen Stress. Die frühzeitige Detektion von Veränderungen von Pflanzen, von Pflanzenkrankheiten oder pflanzenphysiologischer Störungen kann mit Hilfe von Kolorimetrie durchgeführt werden. Ortsaufgelöste Farbanalyse kann zur Identifizierung gewünschter oder unerwünschter Pflanzenveränderungen herangezogen werden.
Das Einordnen von Vegetationsparametern unter Zuhilfenahme kolorimetrischer Daten ist eine Vorgehensweise in der Pflanzendiagnostik, da damit das Auftreten und die Verteilung von Vegetationseigenschaften bestimmt werden können. Faktoren, wie z.B. Feuchtigkeit, Wachstumsperiode, Sonneneinstrahlung, Temperaturbereich, Bodenbeschaffenheit, Bewässerungsbedingungen u.a. können mit kolorimetrischen Daten korreliert werden. Die Farbwirkung pigmentierter Oberflächen zur Chlorophyllanalyse wird effektiv mit der Kolorimetrie durchgeführt. Diese Messdaten geben Auskunft über Pflanzenwachstum, stressbedingte Veränderungen, sie indizieren Gegenmaßnahmen oder registrieren den Nährwert von Pflanzen. In zunehmendem Maße werden in landwirtschaftlichen Betrieben UAVs (unmanned aerial vehicles) für unterschiedliche Aufgabenbereiche schon eingesetzt. Die Installation der erfindungsgemäßen Vorrichtung in solche UAVs erscheint sehr vorteilhaft.
Eine andere Verwendungsmöglichkeit liegt in der Forensik. Das Auffinden von forensischen Spuren unterschiedlicher Größe wird heutzutage mit optischen Mitteln durchgeführt. Dabei handelt es sich in erster Linie um die Detektion von Körpersekreten oder Blut. Die Beleuchtung von Oberflächen mit geeigneten Mitteln (UV Lampen unterschiedlicher Bauart, Fachausdruck: forensische Tatortleuchten) mit nachfolgendem Nachweis von Fluoreszenz oder Chemilumineszenz zählt schon nahezu zu den Standardmethoden der Tatortanalytik. Der Nachweis von Blutspuren unter Verwendung von z.B. Luminol setzt voraus, dass der Untersuchungsort verdunkelt sein muss. Anstelle forensischer Tatortleuchten ist es vorteilhaft, für die Anregung Laserlicht zu verwenden, das gescannt wird und daher ein großer Raumwinkelbereich ausgeleuchtet wird, der sich aus den beiden Winkelamplituden des eingesetzten MEMS Scanners ergibt. Der Nachweis des Detektionslichts erfolgt dann mit dem MEMS Scanner und der Lochblende, die als modifizierte Lochkamera bezeichnet werden kann, unter Verwendung eines Bandpassfilters für eine spezifische Nachweiswellenlänge oder für einen spezifischen Wellenlängenbereich. Es ist beispielsweise bekannt, dass forensische Spermaspuren bei einer Beleuchtung im Wellenlängenbereich um 450nm im grünen Wellenlängenbereich Fluoreszenzlicht emittieren. Die Beleuchtung der gleichen Oberfläche mit gescannten Laserlicht mit einer geeigneten Wellenlänge um 450nm und dem Nachweis der laserinduzierten Fluoreszenz unter Verwendung eines geeigneten Bandpassfilters erhöht die Nachweiswahrscheinlichkeit der Spuren. Bei der Verwendung von gepulstem Laserlicht mit phasensensitiver Detektion wird der Einfluss von Tageslicht weitgehend unterdrückt, womit die Nachweiswahrscheinlichkeit weiter erhöht wird. Für die selektive, optische Anregung forensischer Spuren steht die gesamte Palette von Lasern mit Wellenlängen bis in den UVA Bereich zur Verfügung. Diese Vorgehensweise lässt sich bei vielen fluoreszierenden organischen und anorganischen Materialien vornehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit in der laserinduzierte Fluoreszenz- und Anregungsspektroskopie (LIF), für LIDAR-Messungen und in der bildgebenden NIR Spektroskopie anwendbar.
Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 im Schnitt;
3 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
4 einen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 3 im Schnitt.

In den 1 und 2 ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Nachweislicht, das von einer zu untersuchenden Oberfläche ausgeht, nach einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, wobei hier die Oberfläche durch das Umgebungslicht beleuchtet wird.
Im vorliegenden Fall ist die Oberfläche weit entfernt, z.B. in 10m Entfernung, so dass das von ihr ausgehende Lichtbündel 1 als Nachweislicht in paralleler Weise auf einen Mikrospiegel 2a eines 2D MEMS Scanners 2 fällt, der einen Durchmesser von ca. 1 mm bis hin zu einigen mm beträgt. Unter diesen Randbedingungen kann davon ausgegangen werden, dass das Nachweislicht 1, das von einer Oberfläche, die ca. 10 m oder mehr von dem 2D MEMS Scanner 2 entfernt ist, nahezu parallel ist. Der 2D MEMS Scanner 2 oszilliert um zwei Achsen, sodass der Spiegel 2a des 2D MEMS Scanner 2 periodisch die Winkelstellungen θ und ϕ einnimmt. Der Mikrospiegel weist einen Pivotpunkt auf, in dem sich die beiden Oszillations- oder Torsionsachsen kreuzen. Eine Messvorrichtung 2b des MEMS Scanners 2 erfasst die Winkelstellungen θ und ϕ.
Im Strahlengang des von dem Mikrospiegel abgelenkten Nachweislicht 1 ist ein Faltspiegel 3 zum Umlenken des Nachweislicht und eine als Apochromat 4 ausgebildete Linsenkombination angeordnet. Dem Apochromaten nachgeschaltet ist eine Lochblende 6 mit Apertur 6a, die so angeordnet ist, dass das durch den Apochromaten hindurchgehende Lichtbündel 5 des Nachweislichts auf die Apertur 6a in der Brennebene fokussiert wird. In den 1 und 2 sind zwischen einem Detektor 9, der als Ein-Pixel Detektor ausgebildet ist, eine Abbildungslinse 7 und Analyseelemente 8 angeordnet. Die Bauelemente 4, 6, 7 und 8 sind Bestandteil einer Analysevorrichtung. Eine Auswerteeinheit 10 ist sowohl mit dem Detektor 9 als auch mit dem MEMS Scanner 2 verbunden.
Das mit dem 2D MEMS Scanner 2 selektierte Licht 1 wird mit dem Faltspiegel 3 in die Analysevorrichtung gelenkt. Zur zusätzlichen Reduktion von Streulicht und zur besseren Definition des Lichtwegs, d.h. um sicherzustellen, dass das Licht nicht aus falschen Winkeln durch die Apertur 6a der Lochblende 6 und dann letztlich auf den Detektor 9 gelangt, können noch Blenden in den Strahlweg eingebaut werden. Diese befinden sich zwischen dem Faltspiegel 3 und dem Apochromaten 4. Die Linsenkombination bzw. der Apochromat 4 ist derart aufgebaut (Krümmungsradien, Material, Abstände), dass z.B. für den sichtbaren Wellenlängenbereich des Nachweislichts 1 die Brennpunkte für Licht unterschiedlicher Wellenlängen nur einen Ortsunterschied von wenige als 10 µm in Strahlrichtung aufweisen. Für den Fall, dass auch z.B. Licht aus dem nahen infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereich nachgewiesen werden soll, kann der Apochromat 4 entsprechend angepasst werden. Die Abbildungslinse 7 kann in den Strahlengang 5 eingebaut werden, um das Licht in geeigneter Form auf den Detektor 9 zu lenken.
Zwischen die Abbildungslinse 7 und den Detektor 9 kann entsprechend den Anforderungen Belieben ein oder mehrere optische Analyseelemente 8 installiert werden. Diese Analyseelemente können z.B. Kantenfilter, Bandpassfilter, akkusto-optische Modulatoren, diffraktive Elemente u.a. sein. Als Detektor 9 eignen sich alle fotosensitiven Elemente, die einerseits den in Frage stehenden Wellenlängenbereich nachweisen können und gleichzeitig eine genügend hohe Bandbreite aufweisen, um den pixelweisen Nachweis bei den Frequenzen des 2D Scanners auflösen zu können. Die Sensitivität des Detektors muss dann noch ausreichen, um das Nachweislicht zu erfassen. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind APDs (Avalanche Photo Diods) mit ihrer hohen Sensitivität, hohen Bandbreite und kleiner Bauart, teilweise auch ausgestattet mit analytischen Funktionen (RGB), als Detektoren geeignet.
Die elektronische Auswerteeinheit 10 dient dazu, die Messsignale des 2D MEMS Scanners 2 zur Bestimmung der Auslenkwinkel θ und ϕ, und damit zur Bestimmung der Pixelkoordinaten, mit den Messsignalen des Detektors 9 in Beziehung zu setzen und somit ein 2D Bild zu generieren. Die Winkelbestimmung des 2D MEMS Scanners 2 bzw. die Positionsbestimmung von Pixeln auf einem Projektionsschirm sind derart genau, dass für Anwendungen wie z.B. Laserprojektion und ähnliche stabile, scharfe Bilder mit hoher Qualität erreicht werden. Die Zeitauflösung bei zeitlich veränderlichen Bildern (Videos) ist abhängig von den Frequenzen des 2D MEMS Scanners 2. Die Scanfrequenzen definieren die Bildwiederholrate, mit der 2D Daten erfasst werden können und damit auch den Zeitabstand, mit dem ein Raumwinkelbereich wiederholt abgescannt werden kann. Die Zeitauflösung und damitdie Genauigkeit der Vermessung beweglicher Szenen ist somit eine Funktion der Bildwiederholrate.
In den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer perspektivischer Ansicht und als schematischer Aufbau dargestellt. Gleiche Elemente wie in den 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden hier nicht noch einmal speziell beschrieben.
Zusätzlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist hier ein Beleuchtungsstrahlengang für die zu untersuchende Oberfläche mit einer als Laser 11 ausgebildeten Bestrahlungsquelle, die einen polarisierten, teilpolarisierten oder unpolarisierten Laserstrahl 12 aussendet, vorgesehen. Zur Umlenkung des Laserstrahls 11 kann ein Faltspiegel 13 eingesetzt sein, dem im Fall, dass der Laserstrahl unpolarisiert oder teilpolarisiert ist, ein als Polarisationsprisma 14 ausgebildetes Polarisationselement im Beleuchtungsstrahlengang nachgeschaltet ist. Diesem folgend ist ein dichroitischer Spiegel 15 vorgesehen, der den Laserstrahl durchlässt, so dass er auf den Mikrospiegel 2a fällt und von diesem auf die Oberfläche abgelenkt wird. Um Streulicht zu vermeiden, ist vor den Apochromaten ein als Kreuzpolarisierer ausgebildetes Polarisationselement 16 angeordnet.
Als Nachweislicht wird im Folgenden das Licht verstanden, das durch die Beleuchtung mit Laserlicht von der Oberfläche emittiert wird. Dabei kann es sich um Licht der gleichen Wellenlänge handeln, es kann sich z.B. um laserinduziertes Fluoreszenzlicht handeln, aber genauso um reflektiertes Licht mit einer Zeitstruktur, z.B. für Lidar Anwendungen. Bei ersterem beleuchtet der Laser die Oberfläche und es soll das durch die Beleuchtung entstehende Fluoreszenzlicht nachgewiesen werden. Dabei könnenBandpassfilter, aber auch RGB Detektoren verwendet werden, die nur das Fluoreszenzlicht erfassen. Bei Ausnutzung der Zeitstruktur des Laserlichts kommt das nachzuweisende Licht relativ zum anregenden Laserlicht immer zeitverzögert am Detektor an und kann mit einem Lock-in Verfahren „ausgeschaltet“ werden.
Der dichroitische Spiegel 15, der das Laserlicht 12 einer ausgewählten Wellenlänge nahezu vollständig durchlässt und alle anderen Wellenlängen nahezu vollständig reflektiert, dient zum Einkoppeln des Laserstrahls auf den gleichen Strahlengang, der in entgegengesetzter Richtung der Strahlengang des Nachweislichts ist. Der Laserstrahl 12 ist also mit dem Nachweislicht 1 streckenweise kollinear.
Die Polarisationsrichtung des Lasers 11 bzw. des polarisierenden optischen Elements 14 ist frei wählbar. Der Extinktionskoeffizient des Polarisators 14 beträgt mindestens 10⁵. Als geeigneter Polarisator kann z.B. ein Glan-Thompson Prisma, Wollastone Prisma, aber auch ein polarisierender Strahlteiler mit hohem Extinktionskoeffizienten verwendet werden. Das polarisierte Laserlicht 12 trifft nach dem Durchtritt durch den dichroitischen Spiegel 15 auf den 2D MEMS Scanner 2. Dieser lenkt den Laserstrahl 11 entsprechend der momentanen Winkelstellung θ, ϕ ab.
Es ist in optischen Aufbauten nur sehr schwer erreichbar, das Entstehen von durch Laserbestrahlung erzeugtem Streulicht an Oberflächen zu vermeiden. Daher muss damit gerechnet werden, dass der 2D MEMS Scanner 2 die Quelle von Laserstreulicht ist. Es ist von der vom Laserlicht 12 beleuchteten Oberfläche bzw. Oberflächenelement notwendig, so weit wie möglich zu verhindern, dass dieses Streulicht den Detektor 9 erreicht. Aus diesem Grund ist in dem Strahlengang zum Detektor 9 das weitere polarisierende optische Element 16 installiert (der Kreuzpolarisierer bzw. Cross Polarizer), das ebenfalls einen Extinktionskoeffizienten von mindestens 10⁵ besitzt und dessen Polarisationsrichtung senkrecht zum ersten Polarisationsprisma 14 steht. Dadurch werden der polarisierte Anteil, aber auch teilweise der unpolarisierte Anteil des Streulichts unterdrückt.
Das Nachweislicht 1 ist kollinear mit dem gescannten Laserlicht 12 und trifft auf den 2D MEMS Scanner 2. Da die Winkelstellung θ und ϕ des 2D Scanners 2 so ist, dass sie das Nachweislicht des vom Laserlicht 12 beleuchteten Oberflächenelement einfangen kann, wird das Nachweislicht unter dem richtigen Winkel auf den dichroitischen Spiegel 15 gelenkt, der für das Nachweislicht 1 als Umlenkspiegel dient. Bis auf den kleinen Teil des Spektrums des Nachweislichts, das durch die optischen Eigenschaften des dichroitischen Spiegels 15 durchgelassen wird, wird das andere Nachweislicht in Richtung des Detektors 9 abgelenkt. Danach passiert das Nachweislicht den Polarisator 16. Da das Nachweislicht 1 unpolarisiert ist, wird es zu 50% durch den Polarisator 16 gelassen. Der Apochromat 4 fokussiert das Licht 5 wiederum auf die Apertur 6a. Das Licht, das durch die Apertur 6a gelangt ist, wird mit der Abbildungslinse 7 auf den Detektor 9 abgebildet. Eine optische Diskriminierung mit Hilfe der Analyseelemente 8 z.B. Filter oder andere wellenlängenselektive Elemente kann in den Strahlweg zwischen der Abbildungslinse 7 und dem Detektor 9 installiert sein.
Die Zeitauflösung, die der Detektor 9 aufweisen muss, ist abhängig von den Scanfrequenzen des 2D MEMS Scanners 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014107606 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von Nachweislicht, das von einer zu untersuchenden Oberfläche ausgeht, umfassend: einen 2D MEMS Scanner (2) mit einem Mikrospiegel (2a), der ausgebildet ist, um zwei Torsionsachsen zu oszillieren, und einer Messvorrichtung (2b), die die Auslenkwinkel der zwei Torsionsachsen erfasst, eine Analysevorrichtung, die mindestens eine sammelnde Linsenanordnung (4) und eine Lochblende (6) aufweist, wobei die Linsenanordnung ausgebildet ist, das von der Oberfläche ausgehende und von dem Mikrospiegel (2a) abgelenkte Nachweislicht auf die Apertur (6a) der Lochblende (6) zu fokussieren, einen Detektor (9), der nicht ortsauflösend ist und ausgebildet ist, das durch die Apertur der Lochblende (6a) geleitetes Nachweislicht unabhängig von einem Ort auf der zu untersuchenden Oberfläche als Messdaten zu erfassen, und eine Auswertevorrichtung (10), die ausgebildet ist, die von der Messvorrichtung (2b) des 2D MEMS Scanners erfassten Auslenkwinkel mit den von dem Detektor (9) gelieferten Messdaten in zeitabhängiger Weise zu korrelieren und ein zweidimensionales Bild zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9) ein Ein-Pixel Detektor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Apertur (6a) der Lochblende (6) zwischen 1 und 10 µm und der Durchmesser des Mikrospiegels (2a) zwischen 1 und 3 mm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sammelnde Linsenanordnung (4) als Apochromat ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung mindestens ein optisches Bauelement (8) zur Analyse und zur Diskriminierung, wie eine Abbildungslinse, ein Kantenfilter, Bandpassfilter, Farbfilter, diffraktive Elemente, akusto-optische Modulatoren, umfasst, das zwischen Lochblende und Detektor angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine die zu untersuchende Oberfläche beleuchtende Beleuchtungsvorrichtung (11) vorgesehen ist, deren Strahlengang über den Mikrospiegel (2a) auf die zu untersuchende Oberfläche geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungsstrahlengang teilweise kollinear mit dem Strahlengang des Nachweislichts ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (11) einen Laser aufweist, dessen Beleuchtungslicht polarisiert ist oder dem ein polarisierendes optisches Bauelement (14) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dichroitischer Spiegel (15) zum Durchlassen des Beleuchtungslichts und zum Umlenken des Nachweislichts auf die Linsenanordnung (4) zwischen Beleuchtungsanordnung (11) und Mikrospiegel (2a) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang des Nachweislichts vor der sammelnden Linsenanordnung (4) ein polarisierendes optisches Element (16) angeordnet ist, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9) als Fotodiode, vorzugsweise als Avalanche Fotodiode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9) mindestens drei Fotodioden unterschiedlicher Wellenlänge aufweist.
Verwendung der Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für eine ortsaufgelöste Farbanalyse über Farbkoordinaten oder RGB Werten, in der Fluoreszenzanalytik und -spektroskopie oder in der zeitaufgelösten Spektroskopie.
Verwendung der Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für die Pflanzendiagnostik, wobei die Vorrichtung vorzugsweise in Überwachungsdrohnen eingesetzt wird, oder für das Auffinden forensischer Spuren in der Tatortanalytik.