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Die Erfindung betrifft eine chromatisch konfokale Messvorrichtung umfassend einer breitbandigen Lichtquelle im sichtbaren Wellenlängenbereich bis hin zum nahen Infrarotbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 900 nm, unter Verwendung einer Pump-Lichtquelle im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 500 nm, einer ersten Optik umfassend ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element zur Abbildung der Pumplichtquelle auf ein Luminophor, einen dichroitischen Spiegel oder Strahlteiler, eine zweite Optik umfassend das zweite optische Element und ein drittes optisches Element zum Einkoppeln des breitbandigen Lichtes in eine Faser oder ein Faserbündel, wobei das in die Faser oder das Faserbündel eingekoppelte Licht als Messlicht der chromatisch konfokalen Messvorrichtung eingesetzt wird. Die Erfindung betrifft außerdem die Lichtquelle zur Verwendung in einer solchen chromatisch-konfokalen Messvorrichtung.
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Aus der
FR 3006758 B1 ist eine chromatisch-konfokale Mehrpunkt-Messvorrichtung bekannt, die entlang einer Linie Abstands- oder Dickeninformationen bereitstellen kann.
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Aus
US 2010/0097779 A1 ist der Ansatz bekannt, eine auf einem Luminophor basierende Lichtquelle für chromatisch konfokale Sensoren zu verwenden.
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US 10,180,355 B2 beschreibt einen chromatisch konfokalen Punktsensor unter Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle, die durch das optische Pumpen eines Luminophors realisiert ist.
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US 10,731,965 B1 beschreibt eine auf einem Luminophor basierende, breitbandige Lichtquelle mit einer schlitzförmigen Austrittsfläche des Lichtes.
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Aus Volker Hagemann, Albrecht Seidl, Günter Weidmann, „Static ceramic phosphor assemblies for high power high luminance SSL-light sources for digital projection and specialty lighting,“ Proc. SPIE 11302, Light-Emitting Devices, Materials, and Applications XXIV, 113021 N (im Folgenden genannt NPL1) ist bekannt, dass das Beleuchtungslimit und damit die maximale Leistung des emittierenden Lichtes einer Phosphor-Konverter-Keramik durch thermisches Quenching limitiert ist.
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Der Zeitschriftenbeitrag Anastasiia Krasnoshchoka, Anders Kragh Hansen, Anders Thorseth, Dominik Marti, Paul Michael Petersen, Xu Jian, and Ole Bjarlin Jensen, „Phosphor material dependent spot size limitations in laser lighting,“ Opt. Express 28, 5758-5767 (2020) (im Folgenden NPL2) beschreibt limitierende Eigenschaften von Luminophoren und deren Abhängigkeit der Spotgröße des anregenden Lichtes.
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Hochauflösende optische Linienscanner benötigen langlebige, breitbandige Lichtquellen mit hoher Intensität. Phosphorkonverter werden zunehmend als leistungsstarke Breitbandquelle für Lichtquellen z.B. in der Automobilmikroskopie eingesetzt. Auch in der Messtechnik nimmt der Einsatz derartiger breitbandigen Quellen zu, vergleiche
US 10,180,355 B2 und
US 2010/0097779 A1 . Jedoch stellt die erzeugte Wärme ein Problem dar, was dazu führt, dass dynamische Lösungen favorisiert werden, die durch Bewegung des Phosphors zu einer Verteilung der Wärmeentwicklung und somit Verringerung der lokalen Erhitzung führen. Wie in
US 2010/0097779 A1 beschrieben, können prinzipiell höhere Intensitäten erreicht werden. Durch die mechanische Bewegung gehen jedoch ein gewisser Verschleiß und damit eine kürzere Lebensdauer einher. Zusätzlich müssen für eine bessere mechanische Stabilität dickere Phosphorschichten verwendet werden, was zu einer Verringerung des Bestrahlungslimits führt (vgl. NPL1) und somit einen Teil der durch die Bewegung gewonnen Intensitätssteigerung wieder nichtig macht. Zusätzlich wird durch die Bewegung und dadurch entstehende Bewegungsartefakte der effektiv emittierende Bereich vergrößert, was bei Etendue-limitierten Systemen wie bei chromatisch konfokalen Messverfahren dazu führt, dass entweder eine geringere Intensität erzielt wird oder eine gleichbleibende Intensität mit einer verschlechterten Auflösung erkauft werden muss.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bisher wird nur ein Bruchteil der emittierten Strahlung für das Messystem verwendet wird. Allerdings tragen die nicht verwendeten Photonen ebenfalls zur Aufheizung bei und limitieren damit die Intensität und Lebensdauer der Weißlichtquelle.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine chromatisch konfokale Messvorrichtung unter Verwendung einer effizienten, langlebigen, breitbandigen Lichtquelle bereitzustellen, die eine für chromatisch konfokale Sensoren optimierte Abstrahlcharakteristik hat. Eine hohe optische Leistung der Lichtquelle ist erforderlich, da diese die Messrate von chromatisch konfokalen Einzel- und Messvorrichtung durch die Verfügbarkeit schneller Hard- und Software sowie insbesondere im sichtbaren Spektralbereich durch effiziente Detektoren limitiert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung eine fokussierte Beleuchtung eines Luminophors und die Verwendung des resultierenden breitbandigen Messlichtes in einer chromatisch konfokalen Messvorrichtung gelöst. Hierbei wird das Pumpen des Luminophors in der Weise optimiert, dass unter Berücksichtigung von Volumenstreuung und der damit verbundenen Änderung der bestrahlten und emittierten Flächen (vgl. NPL2) eine optimale Abstrahlcharakteristik zur Einkopplung in das Messsystem erzeugt wird.
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Es wird eine chromatisch konfokale Einzelpunkt- oder Mehrpunkt-Messvorrichtung mit einer langlebigen und leistungsstarken breitbandigen Lichtquelle im sichtbaren bis hin zum nahen Infrarot-Wellenlängenbereich zur Messung von Abständen/Dicken eines Messobjekts vorgeschlagen. Bekannt sind optische Messvorrichtungen, die auf dem chromatisch-konfokalen oder dem interferometrischen Messprinzip basieren.
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Unter einer Luminophor-basierten Lichtquelle wird eine Lichtquelle verstanden, in welcher mittels einer Pumpquelle (typischerweise Laser oder LED) ein Leuchtstoff (Luminophor) angeregt wird, welcher durch einen physikalischen Prozess, insbesondere Phosphoreszenz, Fluoreszenz oder Szintillation, Licht aussendet. Ein Luminophor ist hier allgemein eine strahlungskonvertierende Substanz.
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Die Erfindung macht sich hierbei zunutze, dass bei einem Luminophor die emittierende Fläche typischerweise größer ist, als die vom Pumplicht bestrahlte Fläche (vgl. NPL 2). Folglich sind die optischen Elemente in dieser Ausführungsform so gewählt, dass entweder die beleuchtete Fläche des Luminophors kleiner oder gleich groß ist wie die laterale Ausdehnung der Facette des Faserbündels bzw. Faser und/oder die Abbildung der beleuchteten Fläche des Luminophors auf die Faserfacette kleiner ist als deren lateralen Dimensionen.
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So ist einerseits sichergestellt, dass durch die kleine beleuchtete Fläche des Luminophors die Wärmeentwicklung reduziert wird, sodass eine hohe Lebensdauer des Luminophors und eine hohe optische Leistung der breitbandigen Lichtquelle erreicht werden.
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Gleichzeitig wird sichergestellt, dass die laterale Dimension der emittierenden Fläche keine oder nur eine geringe Begrenzung der Lichtmenge darstellt, die in die Faser oder das Faserbündel eingekoppelt werden kann. Um einen großen Winkelbereich des emittierenden Lichtes einkoppeln zu können, werden die numerischen Aperturen der Optiken im empfangsseitigen Pfad der Lichtquelle sowie der Faser oder den einzelnen Fasern des Faserbündels typischerweise hoch gewählt werden, wobei in den meisten Fällen die numerische Apertur der Fasern das limitierende Element darstellt.
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In einer weiteren Ausführungsform der chromatisch konfokalen Messvorrichtung ist die Lichtquelle durch entsprechende Wahl des ersten optischen Elements oder mit einem zusätzlichen optischen Element vor dem dichroitischen Spiegel versehen, wobei das zusätzliche optische Element dafür verwendet wird, sphärische Aberrationen in die Wellenfront einzubringen.
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Besonders bevorzugt sind folgende Ausgestaltungen:
- - Das erste optische Element (insbesondere umfassend eine Linse) wird so gewählt, dass sie bei der primären Wellenlänge der Pump-Lichtquelle sphärische Aberrationen erzeugt.
- - Die sphärischen Aberrationen können weiterhin dadurch erzeugt werden, dass ein Glas-Plättchen vor dem ersten optischen Element eingebracht wird.
- - Weiterhin können die sphärischen Aberrationen durch ein zusätzliches optisches Element wie eine Linse oder eine Kompensationsplatte erzeugt werden.
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Die genannten Möglichkeiten schließen insbesondere auch Anordnungen ein, bei denen die sphärischen Aberrationen erst in Kombination mit dem zweiten optischen Element in der Ebene der Oberfläche des Luminophors induziert wird.
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Weiterhin können die sphärischen Aberrationen alleinig durch das zweite optische Element erzeugt werden.
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Zusätzlich kann der Luminophor axial gegenüber dem Fokus des Beleuchtungspfades verschoben werden, insbesondere um den Spot zu vergrößern oder durch die Propagationsinvarianz optischer Aberrationen das Strahlprofil zu optimieren, insbesondere so dass der beleuchtete Bereich des Luminophors ein Strahlprofil gleichmäßiger Intensität aufweist oder eine Strahlprofil rotationssymmetrische Intensitätsverteilung mit einer Abhängigkeit von der radialen Position aufweist, insbesondere ein ringförmiges Strahlprofil, ein aus mehreren Ringen bestehendes Intensitätsprofil oder ein Flat-Top Profil.
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In einer weiteren Ausführungsform der chromatisch konfokalen Messvorrichtung ist in der Lichtquelle, dem dichroitischen Spiegel oder dem Strahlteiler ein diffraktives optisches Element eingebracht, so dass der beleuchtete Bereich des Luminophors eine rotationssymmetrische Intensitätsverteilung mit einer Abhängigkeit von der radialen Position aufweist, insbesondere ein ringförmiges Strahlprofil, ein aus mehreren Ringen bestehendes Intensitätsprofil oder ein Flat-Top Profil.
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In einer weiteren Ausführungsform der chromatisch konfokalen Messvorrichtung werden ein oder mehrere Axikons in der Lichtquelle als optische Elemente verwendet, um im Bereich des Luminophors einen Bessel-Gauß-Strahl zu erzeugen.
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In einer weiteren Ausführungsform der chromatisch konfokalen Messvorrichtung wird die Lichtquelle mit mehreren Pumpquellen betrieben, die nicht oder nur teilweise überlappende Bereiche auf dem Luminophor beleuchten. In der Ausführungsform wie in sind die Pumpquellen so angeordnet, dass sie dieselben optischen Elemente durchlaufen, wobei sich die Strahlengänge hinsichtlich Position und Winkel unterscheiden. Ebenso können Strahlteiler verwendet werden, um die Strahlengänge der verwendeten Pumpquellen insoweit zusammenzuführen, dass alle Strahlengänge das zweite optische Element passieren. Ebenso können polarisationsabhängige Strahlteiler verwenden werden, um den Strahlengang mehrerer polarisierten Pumpquellen mit wenig Verlust optischer Leistung zusammenbringen.
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In einer ähnlichen Weise können mehrere sich nicht oder nur teilweise überlappende Bereiche auf dem Luminophor beleuchtet werden, indem eine einzelne Pumpquelle verwendet wird und deren Strahl durch optische Elemente, insbesondere diffraktive optische Elemente, Strahlteiler oder Gitter, in mehrere Strahlengänge aufgespalten wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das breitbandige Licht in ein Faserbündel eingekoppelt und die der einkopplungsseitigen Facette des Faserbündels entgegengesetzten Seiten der Fasern des Faserbündels in einer zur Vermessung mehrerer Dicken oder Dicken an verschiedenen Orten des Messobjektes angeordnet. Dabei ist die einkopplungsseitige Facette diejenige Facette der Fasern, in welche das Licht von der Lichtquelle kommend eingekoppelt wird. Auf dieser Seite sind die Fasern bevorzugt möglichst räumlich eng angeordnet, um das darauf abgebildete Licht effizient einzufangen. Die entgegengesetzte Seite ist die Messkopfseite. Besonders bevorzugt sind die Fasern auf Messkopfseite in einer Reihe angeordnet, um eine Messung entlang einer Linie zu ermöglichen.
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In einer alternativen Ausführungsform der chromatisch konfokalen Messvorrichtung wird der Luminophor der Lichtquelle in derselben Form wie zuvor beschrieben beleuchtet, das konvertierte Licht wird jedoch in eine Multimodefaser anstatt einem Faserbündel eingekoppelt. Das in der Multimodefaser geführte Licht wird außerhalb der Lichtquelle in eine Linie, diskrete Punkte oder eine andere Anordnung aufgespaltet und zur Vermessung mehrerer Dicken oder Dicken an verschiedenen Orten des Messobjektes angewendet. Die Aufspaltung des in der Multimodefaser geführten Lichtes in eine Linie kann beispielsweise durch eine Zylinderlinse realisiert werden. Eine Aufspaltung in diskrete Punkte erfolgt beispielsweise durch Einsatz einer Lochmaske im Strahlengang nach der Multimodefaser. Es kann auch bspw. eine Zylinderlinse mit einer Lochmaske kombiniert werden, um eine Reihe diskreter Punkte zu erhalten.
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Eine alternative Realisierungsform sieht eine chromatisch konfokale Einzelpunkt-Messvorrichtung zur Messung des Abstandes oder der Dicke eines Messobjektes vor, deren Lichtquelle in zuvor beschriebener Weise realisiert wird, mit dem Unterschied, dass eine einzelne Faser mit einem Durchmesser unter 300 µm, bevorzugt 50 µm, verwendet wird.
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Eine mögliche Ausführungsform der chromatisch konfokale Einzelpunkt-Messvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der beleuchtete Bereich des Luminophors kleiner oder nur unwesentlich größer ist als die Faserfacette.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform der chromatisch konfokalen Messvorrichtung beinhaltet eine Vorrichtung gemäß der bisher unveröffentlichten
DE 10 2020 116215 . Diese Patentanmeldung beschreibt eine optische Messvorrichtung, umfassend einen Messkopf mit einer Abbildungsoptik und eine Auswerteinheit, wobei der Messkopf mit der Auswerteeinheit durch zwei lichtleitende Fasern verbunden ist. Die Auswerteeinheit umfasst eine Lichtquelle, deren Licht durch die erste lichtleitende Faser in den Messkopf geleitet wird und wobei vom Messobjekt reflektiertes Licht zurück durch den Messkopf und mittels eines Strahlteilers in eine zweite lichtleitende Faser geleitet wird, derart, dass hin- und rücklaufendes Licht getrennt sind, wobei sich die Faserenden in zueinander konjugierten Positionen befinden. Der Strahlteiler und die als Aperturen fungierenden Faserenden sind gemeinsam in einem Stecker angeordnet, welcher mit dem Messkopf trennbar verbunden ist.
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Die zuvor beschriebenen Vorrichtungen können mit Techniken zur Speckle-Reduktion wie Reduktion der Kohärenzlenge durch Verwendung einer breitbandigeren Pumpquelle oder durch Einführen eine Frequenz- oder Phasenmodulation bei der Pumpquelle beispielsweise durch Variation der Umgebungstemperatur oder des Diodenstroms kombiniert werden.
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Die zuvor beschriebenen Vorrichtungen können mithilfe einer Zylinderlinse so erweitert werden, dass ein in der Lichtquelle vorherrschender Astigmatismus korrigiert wird. Die Zylinderlinse kann hierbei an verschiedenen Stellen im Strahlengang zwischen Pumplichtquelle und Luminophor platziert werden, in einer bevorzugten Ausführungsform jedoch zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element.
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Die zuvor beschriebenen Vorrichtungen können in einer alternativen Ausführungsform so gestaltet werden, dass das Messlicht mithilfe einer Freistrahloptik anstatt einer Faser oder einem Faserbündel von der Lichtquelle zum Messkopf geführt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Lichtquelle zur Verwendung in einer chromatisch konfokalen Messvorrichtung. Diese umfasst eine Pumplichtquelle, eine erste Optik umfassend ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element zur Abbildung der Pumplichtquelle auf einen Luminophor, einen dichroitischen Spiegel oder Strahlteiler, eine zweite Optik umfassend das zweite optische Element und ein drittes optisches Element zum Einkoppeln des breitbandigen Lichtes in eine Faser oder ein Faserbündel.
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Erfindungsgemäß ist die beleuchtete Fläche des Luminophors kleiner als oder gleich groß wie die laterale Ausdehnung der Facette des Faserbündels oder Faser und/oder die Abbildung der beleuchteten Fläche des Luminophors auf die Faserfacette kleiner ist als die lateralen Dimensionen der Faserfacette.
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In einer alternativen Ausführungsform der Lichtquelle zur Verwendung in einer chromatisch konfokalen Messvorrichtung wird die Pumplichtquelle auf eine Kombination mehrerer Luminophoren abgebildet. Die Kombination der Luminophoren ist so realisiert, dass zwei oder mehr Luminophoren aufeinandergeschichtet werden oder der Strahlengang durch einen dichroitischen Spiegel oder einen Strahlteiler aufgespalten wird und einen ersten und einen zweiten Luminophor beleuchtet und das von dem ersten und dem zweiten Luminophor emittierte Licht durch den dichroitischen Spiegel oder den Strahlteiler wieder kombiniert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen.
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Darin zeigen:
- 1 eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der chromatisch konfokalen Messvorrichtung
- 2 eine zweite vorteilhafte Ausgestaltung der chromatisch konfokalen Messvorrichtung
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1 zeigt eine erste vorteilhafte Ausgestaltung einer chromatisch konfokalen Messvorrichtung.
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Die chromatisch konfokale Messvorrichtung umfasst beispielgemäß eine breitbandige Lichtquelle im sichtbaren Wellenlängenbereich bis hin zum nahen Infrarotbereich.
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Die Lichtquelle umfasst eine Pump-Lichtquelle 1 im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 500 nm, die über ein erstes optisches Element 2 kollimiert wird, durch einen dichroitischen Spiegel oder Strahlteiler 3 reflektiert und durch ein zweites optisches Element 4 auf dem Luminophor 5 oder in die Nähe des Luminophors fokussiert wird. Das erste optische Element 2 und das zweite optische Element 4 bilden zusammen die Optik, welche die Pumplichtquelle 1 auf den Luminophor 5 abbildet.
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Die emittierende Fläche 102 des Luminophors ist dabei größer als die beleuchtete Fläche 101. Entsprechend wird über die gesamt Fläche 102 breitbandiges Licht vom Luminophor emittiert.
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Das vom Luminophor 5 ausgesandte, breitbandige Licht wird wiederum durch das zweite optisches Element 4 wieder kollimiert und nachdem es den dichroitischen Spiegel oder Strahlteiler 3 wieder durchlaufen hat durch ein drittes optisches Element 7 in ein Faserbündel oder eine Faser 8 eingekoppelt. Das optische Element 4 und das optische Element 7 bilden zusammen die Optik, welche den Luminophor 5 auf die Faserfacette 8a abbildet. Es wird also die gesamte emittierende Fläche 102 auf die Faserfacette 8a abgebildet. Vorteilhafterweise entspricht die Ausdehnung der Abbildung der emittierenden Fläche 102 auf die Faserfacette 8a annäherungsweise der Ausdehnung der Faserfacette. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass sowohl die gesamte Faserfacette beleuchtet wird, als auch der Lichtverlust bei der Einkopplung minimal ist. Dementsprechend ist die Abbildung der beleuchteten Fläche 101, welche kleiner ist als die emittierend Fläche 102, auch kleiner, als die Faserfacette 8a.
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Bei der Faserfacette 8a handelt es sich im Falle, dass ein Faserbündel 8 eingesetzt wird, um alle Facetten der einzelnen Fasern des Faserbündels 8 zusammengenommen. Eine solche Facette eines Faserbündels ist in 2 gezeigt.
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Die optischen Elemente können allgemein jeweils aus einer Linse oder einer Gruppe von Linsen oder äquivalenten Elementen (bspw. abbildenden Spiegeln) aufweisen.
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2. zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer chromatisch konfokalen Messvorrichtung. Die chromatisch konfokale Messvorrichtung umfasst beispielgemäß eine breitbandige Lichtquelle im sichtbaren Wellenlängenbereich bis hin zum nahen Infrarotbereich. Die Lichtquelle umfasst beispielgemäß zwei Pumplichtquellen 1, die mit einer ersten und einer zweiten Optik, jeweils umfassend ein erstes optisches Element 2 und ein gemeinsames zweites optische Element 4 über einen dichroitischen Spiegel auf ein Luminophor 5 abgebildet werden. Der Luminophor befindet sich auf einem Kühlkörper 6. Das vom Luminophor 5 ausgehende Licht wird mithilfe einer zweiten Optik, umfassend das zweite optische Element 4 und ein drittes optisches Element 7, auf die Facette 8a eines Faserbündels 8 abgebildet. Die Fasern des Faserbündels 8 sind beispielsgemäß an dem ersten Faserende 8a innerhalb einer Kreisfläche angeordnet und am anderen Faserende beispielgemäß entlang einer Linie. Das an der Faserfacette 8b austretende Licht propagiert beispielgemäß in einen Homogenisator 9, wird an einem strahlteilenden Element 10 reflektiert und dann durch ein optisches Element 11 auf das Messobjekt 12 fokussiert wird, wobei das optische Element 11 ein dispersives Verhalten zeigt und abhängig von der Wellenlänge des Lichtes unterschiedliche Foki erzeugt.
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Weitere beispielhafte Ausführungsformen einer chromatisch konfokalen Messvorrichtung bestehen aus Kombinationen einzelner Merkmale aus 1 und 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 3006758 B1 [0002]
- US 2010/0097779 A1 [0003, 0008]
- US 10180355 B2 [0004, 0008]
- US 10731965 B1 [0005]
- DE 102020116215 [0030]
