DE102020116167A1

DE102020116167A1 - Messsystem zur Vermessung von Lichtquellen

Info

Publication number: DE102020116167A1
Application number: DE102020116167.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Münchow; Stephanie Grabher; Martin Finger
Original assignee: Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH
Current assignee: Instrument Systems GmbH
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-23
Also published as: WO2021255113A1; CN116235032A; DE112021003304A5; US20230244070A1; KR20230025711A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle, mit einer eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren (12) aufweisenden Kamera (5) und einer Mikroskopoptik (M) sowie ein Verfahren zur polarisationsunabhängigen Vermessung der Lichtquellen. Es ist Ziel der Erfindung, eine verbesserte und einfache sowie weitestgehend polarisationsunabhängige Messung der Lichtleistung der Lichtquelle unter Erhaltung der Ortsauflösung im mikroskopischen Bereich zu ermöglichen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass den Bildsensoren (12) jeweils ein linearer Polarisator (13) zugeordnet ist, wobei die linearen Polarisatoren (13) matrixförmig vor den Bildsensoren (12) angeordnet sind und zwei oder mehr, vorzugsweise vier Polarisatoren (13) einen Matrixblock (13a) bilden, wobei die Durchlassrichtungen nebeneinanderliegender linearer Polarisatoren (13) innerhalb eines Matrixblocks (13a) relativ zueinander verdreht sind, vorzugsweise um 45° oder um 90°. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Messsignale der Bildsensoren (12), die den Polarisatoren (13) desselben Matrixblocks (13a) zugeordnet sind, gemittelt, um die gewünschte Polarisationsunabhängigkeit zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle, mit einer eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren aufweisenden Kamera und einer Mikroskopoptik. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, das ein solches Messsystem verwendet.
Derartige Messsysteme werden eingesetzt, um Lichtquellen mikroskopisch mit Hilfe der Kamera zu vermessen und - nach geeigneter Kalibrierung - die Verteilung der Absolutleistung der Lichtquelle zu bestimmen. Bei der Lichtquelle kann es sich insbesondere um eine Anordnung VCSEL-Elementen (verticalcavity surface-emitting laser) handeln, beispielsweise in Form einer VCSEL-Matrix auf einem Wafer. Hierbei ist das von den einzelnen VCSEL-Elementen emittierte Licht polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung unbestimmt ist oder sich mit der Zeit verändert. Die Bildsensoren bei bekannten Messsystemen, die CMOS-Kameras verwenden, sind polarisationsabhängig. Durch die unbestimmte Polarisation des zu vermessenden Lichts können sich bei der Messung der Lichtleistung systematische Fehler von bis zu 10% ergeben.
Um die Polarisation des Lichtes aufzuheben bzw. zu verringern, existieren verschiedene Arten von Depolarisatoren, die aus polarisiertem Licht unpolarisiertes Licht machen. Die Depolarisatoren haben jedoch gerade bei VCSEL-Elementen den Nachteil, dass sie nur äußerst unzureichend funktionieren, weil die Lichtquelle ein zu schmales Spektrum hat, wodurch eine Restpolarisation erhalten bleibt und/oder aufgrund von doppelbrechenden Eigenschaften die erforderliche Ortsauflösung bei der Vermessung des einfallenden Lichts nicht mehr erhalten werden kann.
Alle bekannten Messsysteme bieten keine zufriedenstellende Kompensation der Polarisationseigenschaften oder sind viel zu aufwendig. Dadurch ist eine absolute Leistungsmessung mit einem akzeptablen Fehlerbudget nicht möglich. Mit den bekannten Messsystemen ist bestenfalls die Messung der relativen Leistung der VCSEL-Elemente möglich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Messsystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit diesem eine verbesserte und einfache möglichst polarisationsunabhängige Messung der Absolutleistung oder einer mit der Absolutleistung verknüpften radiometrische Größen wie insbesondere der Strahlungsdichte der Lichtquelle unter Erhaltung der Ortsauflösung im mikroskopischen Bereich ermöglicht wird.
Hierzu schlägt die Erfindung ausgehend von einem Messsystem der eingangs genannten Art vor, dass den Bildsensoren jeweils ein linearer Polarisator zugeordnet ist, wobei die linearen Polarisatoren matrixförmig vor den Bildsensoren angeordnet sind und zwei oder mehr, vorzugsweise vier, Polarisatoren einen Matrixblock bilden, wobei die Durchlassrichtungen nebeneinanderliegender linearer Polarisatoren innerhalb eines Matrixblocks relativ zueinander verdreht sind, vorzugsweise um 45° oder um 90°.
Des Weiteren schlägt die Erfindung ein Verfahren für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle unter Verwendung eines solchen Messsystems vor, bei dem

- die Lichtquelle Licht emittiert, das durch die Mikroskopoptik auf die Bildsensoren der Kamera fokussiert wird,
- das Licht die den jeweiligen Bildsensoren zugeordneten Polarisatoren durchläuft,
- und das Licht von den Bildsensoren erfasst wird, wobei jeder Bildsensor das auf den Bildsensor auftreffende Licht in ein Messsignal umwandelt,
- wobei anschließend die Messsignale der Bildsensoren, die den Polarisatoren desselben Matrixblocks zugeordnet sind, gemittelt und skaliert werden
- und aus den gemittelten Messsignalen sämtlicher Matrixblöcke ein Bild der Verteilung der Lichtleistung der Lichtquelle erzeugt wird.

Durch den Einsatz einer Matrix aus Polarisatoren vor den einzelnen Bildsensoren ist klar definiert, welche Polarisation das auf den jeweiligen Bildsensor treffende Licht hat. Die Polarisationsempfindlichkeit der Bildsensoren wird somit ausgeglichen und das Fehlerbudget der Messung durch die Mittelung der Messsignale minimiert. Durch die Mittelung über die Messsignale erhält man einen von der Polarisation unabhängigen Wert, der über einen durch eine Kalibrierung erhaltenen Wert mit der Absolutleistung verknüpft ist. Die Ortsauflösung bei der Vermessung der Lichtleistungsverteilung ist durch die Mikroskopoptik in Kombination mit der Größe der Matrixblöcke vorgebbar.
Besonders vorteilhaft ist hierbei eine 2x2-Matrix aus vier Polarisatoren, deren Durchlassrichtungen jeweils um 45° zueinander verdreht sind, also beispielsweise einen Durchlassrichtung von 0°, 45°, 90° bzw. 135 ° aufweisen. Die Durchlassrichtung gibt die zur Strahlverlaufsrichtung senkrechte Richtung des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Lichtwelle an, die den jeweiligen Polarisator passieren kann.
Eine Verdrehung von 90° der Durchlassrichtungen der nebeneinanderliegenden Polarisatoren reicht, um den Polarisationseffekt zu neutralisieren. Die Verdrehung um 45° ermöglicht es die Polarisation zu messen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor den Polarisationsfiltern Mikro-Linsen matrixförmig angeordnet sind. Durch die Mikro-Linsen wird das einfallende Licht auf die lichtempfindliche Oberfläche jedes Bildsensors optimal verteilt und damit die Empfindlichkeit der Bildsensoren erhöht und Rauschen reduziert.
Zur weiteren Verbesserung der Messung ist es zweckmäßig, wenn ein Strahlteiler eingesetzt wird und mittels des Strahlteilers das Licht der Lichtquelle der Kamera sowie gleichzeitig einer spektralen Messvorrichtung zuführbar ist. Durch den Einsatz einer spektralen Messvorrichtung lässt sich die Messung hinsichtlich der Lichtintensität/-leistung und des Spektrums weiter präzisieren. Außerdem kann die spektrale Messvorrichtung zur Kalibrierung der Kamera verwendet werden.
Als spektrale Messvorrichtung kann beispielsweise ein Spektroradiometer eingesetzt werden. Spektroradiometer haben sich durch eine präzise und zuverlässige Messweise bewährt. Das Spektroradiometer kann zur Durchführung einer sog. Spot-Messung ausgelegt sein, d.h. es misst, anders als die Kamera, nicht ortsauflösend. Z.B. können einzelne VCSEL-Elemente der Lichtquelle durch eine quer zum Strahlenverlauf verschiebbare Blende adressiert und mittels des Spektroradiometers präzise vermessen werden.
Alternativ zum Spektroradiometer kann die spektrale Messvorrichtung ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter aufweisen. Eine Bildaufnahme mittels der Kamera erfolgt dabei ohne und eine weitere Bildaufnahme mit eingeschwenktem optischen Kantenfilter. Die Absorptionskante des Kantenfilters liegt dabei im Bereich der (vorab bekannten) mittleren Emissionswellenlänge der Lichtquelle, sodass jeder Wellenlänge ein individueller Absorptionswert des Kantenfilters zugeordnet werden kann. Aus dem Vergleich der Messsignale der beiden Messungen kann dann auf Basis der bekannten Filtercharakteristik die Wellenlänge für jeden einzelnen Bildpunkt sehr einfach bestimmt werden. Dies erfolgt am besten per Software. Bei einer VCSEL-Matrix als Lichtquelle kann z.B. jedes einzelne VCSEL-Element anhand seiner Position im Bild identifiziert werden, um jedem VCSEL-Element eine individuelle Emissionswellenlänge zuordnen zu können. Dieses Messprinzip funktioniert prinzipiell auch unabhängig von den den Bildsensoren zugeordneten Polarisatoren, d.h. mit jedem Messsystem, das eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren aufweisenden Kamera aufweist und bei dem ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter vorgesehen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Mikroskopoptik mindestens ein optisches Filter aufweist, z.B. ein Neutraldichtefilter, um die Intensität der Lichtemission an die Empfindlichkeit der Kamera anzupassen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Mikroskopoptik eine Tubuslinse aufweist. Dies ermöglicht es, das Mikroskop mit einer sog. „Unendlichoptik“ zu realisieren, so dass Flexibilität bei der Einfügung von Zwischenelementen (Filter, Strahlteiler etc.) in den Strahlengang besteht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a und 1b: Schematisch eine 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Messsystems mit Gehäuse (a) und ohne Gehäuse (b);
2: Schematisch den Detailbereich A aus 1b;
3a und 3b: Schematisch den Aufbau der Polarisatoren zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Messsystem;

In den Figuren ist das Gehäuse des erfindungsgemäßen Messsystems mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. An der Frontseite ist ein Mikroskopobjektiv 2 angeordnet. 1b zeigt das Innenleben des Messsystems bei abmontiertem Gehäuse 1. Hinter dem Mikroskopobjektiv 2 sind weitere Elemente einer Mikroskopoptik M angeordnet, auf deren einzelne Bestandteile weiter unten eingegangen wird (vgl. 2). Ferner ist ein Strahlteiler 3 vorgesehen, der einen Teil des Lichts über eine Einkoppeloptik 4 in eine lichtleitende Faser F führt, von der nur ein kurzes Stück dargestellt ist. Diese führt das Licht einem Spektroradiometer (nicht dargestellt) zu, um eine spektrale Vermessung durchzuführen. Weiter ist eine Kamera 5 vorgesehen, die den anderen Teil des Lichts zur ortsaufgelösten Messung der Lichtleistung erfasst.
2 zeigt die Mikroskopoptik M aus 1b im Detail. Hinter dem Mikroskopobjektiv 2 sind optische Filter 6 und eine Tubuslinse 7 angeordnet.
In 3a sind drei Matrixanordnungen (8, 9, 10) dargestellt, die Bestandteile der Kamera 5 sind. Die Matrixanordnung 8 im Vordergrund ist aus Mikro-Linsen 11 aufgebaut. Die hintere Matrixanordnung 10 wird aus einzelnen Bildsensoren 12 gebildet. Die Bildsensoren 12 sind beispielsweise als CMOS-Sensoren oder CCD-Sensoren realisiert. Zwischen diesen beiden Matrixanordnungen 8, 10 befindet sich eine weitere Matrixanordnung 9. Die Matrixanordnung 8 ist aus Polarisatoren 13 aufgebaut. Die Durchlasswinkel der jeweils nebeneinanderliegenden Polarisatoren 13 sind unterschiedlich. Jeder Polarisator 13 ist einem Bildsensor 12 und einer Mikro-Linse 11 zugeordnet.
Die Polarisatoren 13 sind zusätzlich in 2x2-Matrixblöcke 13a unterteilt. Ein solcher Matrixblock 13a ist schematisch in 3b dargestellt. Die Durchlassrichtungen der einzelnen Polarisatoren 13 eines Matrixblocks 13a sind hier jeweils um 45° gegenüber den benachbarten Polarisatoren 13 verdreht und liegen in diesem Ausführungsbeispiel bei 0°, 45°, 90° und 135°.
Bei der Vermessung einer Lichtquelle mit dem erfindungsgemäßen Messsystem wird Licht von der Lichtquelle emittiert. Das Licht wird über das Mikroskopobjektiv 2 in das Messsystem eingebracht und durch die optischen Filter 6 und die Tubuslinse 7 zum Strahlteiler 3 geleitet. Über den Strahlteiler 3 wird das Licht zur Kamera 5 und parallel zum Spektroradiometer geführt. In der Kamera triff das Licht über die Mikro-Linsen 11 und durch die Polarisatoren 13 auf die Bildsensoren 12. Mittels der Bildsensoren 12 wird das Licht erfasst und in elektrische Messsignale umgewandelt. Anschließend werden die Messsignale der Bildsensoren 12, die einem 2x2-Matrixblock 13a zugeordnet sind, gemittelt. Hierdurch wird der Einfluss der Polarisation des von der Lichtquelle emittierten Lichts minimiert und das Messergebnis ist nahezu polarisationsunabhängig. Die Polarisationsempfindlichkeit der Bildsensoren 13 wird durch Mittelung ausgeglichen und das durch die Polarisation verursachte Fehlerbudget minimiert. Somit kann die Lichtleistung ortsaufgelöst präzise bestimmt werden. Für die Bestimmung der Absolutleistung oder einer mit der Absolutleistung verknüpften radiometrische Größen wie insbesondere der Strahlungsdichte ist eine Kalibrierung, z.B. durch Vorabvermessung einer Referenzlichtquelle erforderlich. Der Öffnungswinkel der Lichtemission kann bestimmt werden, indem der Abstand zwischen Lichtquelle und Messsystem variiert und dabei die Veränderung des Abbildungsmaßstabs auf dem Sensorarray 10 beobachtet wird. Dies ist insbesondere bei der Vermessung von VCSEL-Arrays von Interesse. Gleichzeitig ermöglicht das Messsystem die schnelle, einfache und präzise Messung der Absolutleistung einzelner Emitter eines VCSEL-Arrays.
Es ist in anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen denkbar, die Polarisatoren 12 beispielsweise in 2x1-Matrixblöcke zu unterteilen, und die Durchlassrichtungen der Polarisatoren 13 eines Matrixblocks um 90° zu verschieben. Weitere Varianten sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Mikroskopobjektiv
3: Strahlteiler
4: Einkoppeloptik
5: Kamera
6: optische Filter
7: Tubuslinse
8-10: Matrixanordnungen
11: Mikro-Linse
12: Bildsensor
13: Polarisator
13a: Matrixblock aus Polarisatoren 13
M: Mikroskopoptik
F: Faser

Claims

Messsystem für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle, mit einer eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren (12) aufweisenden Kamera (5) und einer Mikroskopoptik (M), dadurch gekennzeichnet, dass den Bildsensoren (12) jeweils ein linearer Polarisator (13) zugeordnet ist, wobei die linearen Polarisatoren (13) matrixförmig vor den Bildsensoren (12) angeordnet sind und zwei oder mehr, vorzugsweise vier Polarisatoren (13) einen Matrixblock (13a) bilden, wobei die Durchlassrichtungen nebeneinanderliegender linearer Polarisatoren (13) innerhalb eines Matrixblocks (13a) relativ zueinander verdreht sind, vorzugsweise um 45° oder um 90°.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor den Polarisatoren (13) Mikro-Linsen (11) matrixförmig angeordnet sind und jeweils eine Mikro-Linse (11) einem Polarisator (13) zugeordnet ist.
Messsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsensoren (12) als CMOS-Sensoren ausgebildet sind.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (3), wobei mittels des Strahlteilers (3) das Licht der Lichtquelle der Kamera (5) sowie gleichzeitig einer spektralen Messvorrichtung zuführbar ist.
Messsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Messvorrichtung ein Spektroradiometer (4) ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera (5) einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroskopoptik (M) mindestens ein optisches Filter (6) aufweist.
Messsystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroskopoptik (M) eine Tubuslinse (7) aufweist.
Verfahren für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle unter Verwendung eines Messsystems nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem - die Lichtquelle Licht emittiert, das durch die Mikroskopoptik (M) auf die Bildsensoren (12) der Kamera (5) fokussiert wird, - das Licht die den jeweiligen Bildsensoren (12) zugeordneten Polarisatoren (13) durchläuft, - und das Licht von den Bildsensoren (12) erfasst wird, wobei jeder Bildsensor (12) das auf den Bildsensor (12) auftreffende Licht in ein Messsignal umwandelt, -wobei anschließend die Messsignale der Bildsensoren (12), die den Polarisatoren (13) desselben Matrixblocks (13a) zugeordnet sind, gemittelt werden - und aus den gemittelten Messsignalen sämtlicher Matrixblöcke (13a) ein Bild der Verteilung der Lichtleistung der Lichtquelle erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vermessene Lichtquelle eine matrixförmige Anordnung aus VCSEL-Elementen ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit einer Ortsauflösung von kleiner als 1 µm durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge von größer als 800 nm emittiert.