DE102023111858A1 - Schnelle, zeitlich und räumlich hochauflösende Magnetfeldkamera auf Basis einer NV-Fluoreszenzkamera - Google Patents

Schnelle, zeitlich und räumlich hochauflösende Magnetfeldkamera auf Basis einer NV-Fluoreszenzkamera Download PDF

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DE102023111858A1
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/24—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf (21) mit einer Sensorschicht (5) und mit einer Lichtquelle (2) für Pumpstrahlung (13) und mit einer Fluoreszenzkamera mit einem Lichtsensorarray (1) aus Lichtsensoren. Die Sensorschicht (5)umfasst paramagnetische Zentren, die bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (13) Fluoreszenzstrahlung (14) emittieren. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (14) hängt örtlich und zeitlich von der Intensität der Pumpstrahlung und der Intensität der magnetischen Flussdichte am jeweiligen Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums in der Sensorschicht (5) ab. Die Fluoreszenzkamera erfasst ein Fluoreszenzbild der Emissionsintensitätsverteilung für die Fluoreszenzstrahlungsemission aus der Sensorschicht (5) und stellt es für die weitere Verwendung bereitstellt.

Description

  • Feld der Erfindung
  • Die Erfindung richtet sich auf eine schnelle, zeitlich und räumlich hochauflösende Magnetfeldkamera auf Basis einer Fluoreszenzkamera.
  • Allgemeine Einleitung
  • Es ist ein seit langem bekanntes Problem der Magnetfeldmesstechnik, magnetische Felder ortsaufgelöst zu vermessen und Bilder der örtlichen Verteilung der Magnetfelder zu erzeugen.
  • Solche Vorrichtung messen in der Regel das Magnetfeld punktuell und zeitlich hintereinander an verschiedenen Messpunkten. Auf diese Weise erhält eine solche Vorrichtung aus dem Stand der Technik für jeden der Messpunkte einen Messwert für das Magnetfeld. Aus einer flächigen oder räumlichen Abtastung des Magnetfelds innerhalb des Messvolumens kann so eine Digitalisierung der Magnetfeldmesswerte innerhalb des Messvolumens durch Zeitmultiplex erreicht werden. Aus dem Stand der Technik ist eine Verwendung solcher Vorrichtungen und Methoden zur Vermessung von statischen magnetischen (Streufeldern) oder dynamischen (Streu-) Feldern (z.B. Wirbelstrom) im Bereich der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannt.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 11 2020 003 569 A5 ist eine NV-zentren basierende Sensoranordnung bekannt, die nicht die unmittelbare Aufnahme von Bildern erlaubt.
  • Aus der DE 10 2019 121 028 A1 ist die Beschichtung eines Wafers mit Nanodiamanten mit NV-zentren bekannt.
  • Aus der DE 10 2020 129 308 A1 sind verschiedene Sensoranwendungen für NV-Zentren basierende Sensoren bekannt.
  • Aus der DE 10 2018 127 394 A1 ist ein NV-Zentren basierendes Sensorsystem mit Kompensation bekannt.
  • Aus der DE 10 2021 101 565 A1 ist ein Sensorsystem unter der Verwendung von NV-Zentren in Folien und/oder Glas-Fritt-Pasten bekannt.
  • Aus der DE 10 2020 109 477 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von NV-Zentren bekannt.
  • Aus der DE 10 2021 132 780 A1 sind NV-Zentren beinhaltende Kristalle mit besonderen Eigenschaften bekannt.
  • Aus der DE 10 2020 134 883 A1 ist eine LED mit einer Konversionsschicht mit NV-Zentren bekannt.
  • Aus der noch unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung DE 10 2022 122 505.4 ist ein Lichtwellenleiter bekannt, an dessen Ende mittels UV-Aushärtung ein Sensorelement mit Nanodiamanten mit NV-Zentren erzeugt wird. Die noch unveröffentlichte deutsche Anmeldung 10 2022 121 444.3 zeigt eine Anwendung dieses Wellenleiters.
  • Die unveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2022 122 507.0 zeigt eine Anwendung des Lichtwellenleiters zur Rissdetektion in ferromagnetischen Materialien. Dies ist die Schrift, die nach Auffassung der Anmelderin der hier vorgestellten technischen Lehre am nächsten kommt. Der Nachteil des Verfahrens und der Vorrichtung der DE 10 2022 122 507.0 ist die nur punktförmige Messung, die eine schnelle Überprüfung großer Oberflächen nicht zulässt.
  • Aktuelle Magnetfeldsensoren (Hall-, AMR-, TMR-Sensoren) mitteln das Magnetfeld über ein bestimmtes Volumen und geben somit nur den Mittelwert des Magnetfeldes über ein relativ großes Messvolumen wieder.
  • Flächige Sensoren existieren in Form von Kerr-Mikroskopen, welche den magneto-optischen Kerr-Effekt nutzen. Messungen mit Kerr-Mikroskopen können jedoch nut die Magnetisierung eines Objektes und nicht die magnetische Flussdichte B bestimmen.
  • Weitere flächige Sensoren sind Systeme, die den Faraday-Effekt nutzen. Durch die geringe Effektstärke sind diese Geräte jedoch sehr groß im Vergleich zur Messfläche und benötigen teure Polarisationsoptiken.
  • Einfachere Flächensensoren bestehen aus Arrays von Hallsensoren, welche jedoch durch die Notwendigkeit der elektrisch einzeln zu kontaktierenden Sensoren nur eine begrenzte Ortsauflösung aufweisen und nicht gut skalierbar sind.
  • Die Aufgabe des hier vorgelegten Vorschlags ist somit, hochauflösend die Magnetfeldverteilung in einer Fläche zu erfassen.
  • Aufgabe
  • Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
  • Der unabhängige Anspruch löst diese Aufgabe. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Grundidee des in diesem Dokument beschriebenen Vorschlags ist, das Fluoreszenzlicht einer magnetfeldsensitiven Fluoreszenzschicht mittels einer optischen Fluoreszenzlichtkamera zu erfassen. Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, als Fluoreszenzschicht Diamantkristalle und zwar vorzugsweise Diamantnanokristalle in einem Trägermaterial als Material der Fluoreszenzschicht zu verwenden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Diamantnanokristallen um HDNV-Diamanten. Das hier vorgelegte Dokument verweist in diesem Zusammenhang auf die oben angegebenen Dokument aus dem Stand der Technik. (Z.B. DE 10 2021 132 780 A1 )
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, die NV-Zentren in den Nanodiamanten der Fluoreszenzschicht mit einer Pumpstrahlung mit einer Pumpstrahlungswellenlänge zu bestrahlen. Diese Bestrahlung der Nanodiamanten der Fluoreszenzschicht mit Pumpstrahlung regt die NV-Zentren der Nanodiamanten der Fluoreszenzschicht zur Emission von Fluoreszenzstrahlung mit einer Fluoreszenzwellenlänge an. Bevorzugt ist das Trägermaterial, in dem die Nanodiamanten eingebettet sind, für Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge und für Strahlung der Fluoreszenzwellenlänge transparent. Die magnetische Flussdichte B des zu vermessenden magnetischen Feldes durchdringt die Fluoreszenzschicht. Typischerweise ist die Durchdringung der Fluoreszenzschicht durch die magnetische Flussdichte B nicht homogen, sondern hängt von den magnetisierbaren Körpern und der Verteilung magnetischer Stoffe etc. in der Nähe der Fluoreszenzschicht ab. Bevorzugt ist die Orientierung der Nanodiamanten stochastisch gleichmäßig verteilt, sodass die Fluoreszenzstrahlung der NV-Zentren der Nanodiamanten der Fluoreszenzschicht nicht von der Richtung der magnetischen Flussdichte B, sondern nur von dem Betrag der magnetischen Flussdichte B abhängt.
  • Typischerweise hängt daher die Fluoreszenzstrahlungsintensität der Fluoreszenzstrahlung der NV-Zentren der Fluoreszenzschicht ortsabhängig von dem ortsabhängigen Betrag der magnetischen Flussdichte am Ort des jeweiligen NV-Zentrums in der Fluoreszenzschicht ab.
  • Eine Fluoreszenzkamera erfasst die ortsabhängige Intensität der Fluoreszenzstrahlung der NV-Zentren in einer Schichtmit paramagnetischen Zentren in einer Vielzahl von Kristallen . Hierzu umfasst die Fluoreszenzkamera bevorzugt einem zweidimensionales Array von Lichtsensoren eines Lichtsensorarrays, die für die elektromagnetische Strahlung der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich sind. Beispielsweis kann das zweidimensionales Array von Lichtsensoren des Lichtsensorarrays der Fluoreszenzkamera ein CCD-Sensor-Array oder ein CMOS-Array oder ein SPAD-Array umfassen. Eine Auswerteschaltung stellt den Lichtsensoren, soweit notwendig, die ggf. erforderliche Betriebsspannung zur Verfügung. Typischerweise erzeugen die Lichtsensoren einen Fotostrom und/oder eine Fotoladung, die typischerweise proportional zur empfangenen Lichtintensität ist oder zumindest von der jeweils empfangenen Lichtintensität abhängt. Die Auswerteschaltung erfasst den Wert dieses Fotostroms bzw. der Fotoladung und ermittelt daraus pixelweise einen Messwert für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung an dem Ort der Fluoreszenzschicht der Sensorschicht, den die Optik der Fluoreszenzkamera auf das jeweilige Pixel abbildet. Die Fluoreszenzschicht umfasst Kristalle mit paramagnetischen Zentren, die in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte B und der Intensität der Pumpstrahlung mit der sie bestrahlt werden, fluoreszieren. Auf diese Weise kann die Fluoreszenzkamera die einen Wert der magnetischen Flussdichte je Pixel des Fotodetektor-Arrays bestimmen, der mit einen diesem Pixel zugeordneten Bereich der Fluoreszenzschicht korrespondiert.
  • Die Erfindung nutzt die Verbindung zwischen Diamantstaub und UV-Kleber und das Know-How aus Messungen von Magnetfeldern durch fasergekoppelte Messung der Fluoreszenz von NV-reichem Diamantpulver. Das hier vorgelegte Dokument verweist in diesem Zusammenhang auf die unveröffentlichte deutschen Patentanmeldung DE 10 2022 122 505.4 .
  • Als Sensorelement kommt flächig auf ein Trägermaterial aufgebrachter NV-haltiger Diamantstaub (Größe beliebig, sollte jedoch möglichst im Bereich von 100nm - 2µm Partikeln liegen.) in Verbindung mit einem optisch transparenten (500nm - 850nm) Verbundmaterial (z.B. UV-Kleber oder anderen optisch transparenten Materialien, wie z.B. Glas, Glaspasten, Epoxy etc.) zum Einsatz. Dabei gibt es keine Einschränkungen für die Flächengröße und Form (z.B. gekrümmte oder flexible Flächen sind möglich). Die Schichtdicke der Sensorschicht ist dabei deutlich kleiner als die Flächenausdehnung (typ. wenige 10µm). Zusätzlich kann das Trägermaterial verspiegelt werden, um die Anregung und Detektion zu verbessern, sowie mögliches Streulicht von außerhalb des Sensors zu blockieren. Dazu können Metalle (z.B. Au, Ti, Al, Ag) auf das Trägermaterial aufgebracht werden oder dielektrische Verspiegelungen genutzt werden. Als Trägermaterial kann z.B. Keramik, (gehärtetes-) Glas oder Metall genutzt werden. Um möglichst nah mit dem Sensorelement an ein Prüfstück zu gelangen, sollte das Trägermaterial möglichst dünn ausgestaltet sein. Um die Stabilität des Trägermaterials in Verbindung mit dem Diamantmaterial zu gewährleisten, kann auf das Diamantmaterial ein weiteres (dickeres) optisch transparentes Trägermaterial aufgebracht werden.
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt für solche und andere Anwendungen mit ähnlichen Messaufgaben eine Sensorschicht vor. Dabei weist die Sensorschicht vorzugsweise ein Trägermaterial auf, in dem eine Vielzahl von Diamanten oder andere Kristalle, die paramagnetische Zentren umfassen, eingebettet sind. Ein oder mehrere oder alle Diamanten dieser Diamanten bzw. ein oder mehrere oder alle Kristalle dieser Kristalle weisen dabei ein oder mehrere NV-Zentren und/oder ein oder mehrere andere paramagnetischen Zentren auf. Die NV-Zentren der Sensorschicht und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Sensorschicht emittieren bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung zumindest eine Fluoreszenzstrahlung. Das Besondere der in dem hier vorgelegten Dokument vorgeschlagenen Sensorschicht ist, dass das Trägermaterial beispielsweise ein mittels elektromagnetischer Strahlung ausgehärtetes Trägermaterial sein kann und dass das Trägermaterial nach dem Aushärten für Strahlung mit einer Pumpstrahlungswellenlänge λpmp der Pumpstrahlung, mit der die NV-Zentren NVZ und/oder die anderen paramagnetischen Zentren gepumpt werden, im Wesentlichen transparent ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass die unzweifelhaft auftretenden Verluste immer noch so gering sind, dass die Funktionsfähigkeit der betreffenden Anwendung immer noch gegeben ist. In gleicherweise sollte das Trägermaterial für Strahlung mit einer Fluoreszenzwellenlänge λfl der Fluoreszenzstrahlung der NV-Zentren im Wesentlichen transparent sein. Im Wesentlichen bedeutet dabei wiederum, dass die unzweifelhaft auftretenden Verluste immer noch so gering sind, dass die Funktionsfähigkeit der betreffenden Anwendung immer noch gegeben ist. Durch die Aushärtung eines zuvor flüssigen Trägermittels ist die Fertigung einer solchen Sensorschicht besonders einfach und prozesssicher mit einem hohen Cpk-Wert zu fertigen.
  • In einer Variante der Sensorschicht sind die Diamanten bzw. Kristalle im Trägermaterial der Sensorschicht im Wesentlichen zueinander unterschiedlich mit einer jeweils im Wesentlichen unterschiedlichen Orientierung orientiert sind. Dies hat den Vorteil, dass sich die Sensorschicht isotrop verhält und keine Vorzugsrichtung zeigt. Die Mischung verschiedenster Diamantkristalle zw. Kristalle kann die Messergebnisse homogenisieren und den Cpk-Wert verbessern.
  • Das Diamantmaterial der Sensorschicht wird vorzugsweise, wenn es NV-Zentren enthält, mit grünem Licht angeregt. Dies kann z.B. durch eine oder mehrere LEDs als Lichtquelle erfolgen. Um die gezielte Anregung des Diamantmaterials zu verbessern können Linsen zur Fokussierung / Ausrichtung der Anregung verwendet werden. Die Fluoreszenzstrahlung wird anschließend mit einem Lichtsensorarray gemessen. Zur optimalen Detektion kann die Fluoreszenzemission der Fluoreszenzstrahlung mit einem Objektiv / einer Linse auf das Lichtsensorarray abgebildet werden (Fluoreszenzkamera). Alternativ kann das Diamantmaterial mit optischen Filtern auch direkt auf ein Lichtsensorarray aufgebracht werden- der Messbereich entspricht dann aber nur der der Größe des Sensorarrays. Zur Verbesserung des Kontrastes kann ein Shortpass-Filter vor der LED, also der Lichtquelle, und/oder ein Longpass-Filter vor dem Lichtsensorarray verwendet werden, wobei die Grenz-Wellenlänge des Shortpass-Filters kleiner als die des Longpass-Filters sein sollte. Das Longpass-Filter lässt typischerweise elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im technisch für die betreffende Anwendung relevanten Wellenlängenbereich größer als die Grenzwellenlänge des Longpass-Filters passieren. Das Shortpass-Filter lässt elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im technisch für die betreffende Anwendung relevanten Wellenlängenbereich kleiner als die Grenzwellenlänge des Shortpass-Filters passieren. Bevorzugt umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung als Lichtsensorarray ein monochromes Lichtsensorarray ohne RGB-Filter und ohne Infrarotfilter.
  • Das Wesentliche des hier vorgelegten Dokuments ist nun, dass es auch ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht, wie sie zuvor beschrieben wurde, beschreibt und offenlegt. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Schritte:
    • • Bereitstellen eines ersten Trägermaterials 9;
    • • Beschichten der Oberfläche der Oberseite des ersten Trägermaterials 9 mit einer Verspiegelung 10;
    • • Bereitstellen eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λH härtbaren flüssigen, zweiten Trägermaterials, wobei in das zweite, flüssige Trägermaterial eine Vielzahl von Diamanten, vorzugsweise Nanodiamanten, bzw. Kristallen, vorzugsweise Nanokristallen, eingebettet sind und wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten dieser Diamanten bzw. Kristalle NV-Zentren und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und wobei die NV-Zentren der Diamanten bzw. Kristalle des zweiten, flüssigen Trägermaterials und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten bzw. Kristalle des zweiten, flüssigen Trägermaterials bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung zumindest eine Fluoreszenzstrahlung emittieren;
    • • Benetzen der Oberfläche der Verspiegelung 10 mit dem zweiten, flüssigen Trägermaterial, das die Vielzahl eingebetteter Diamanten bzw. eingebetteter Kristalle aufweist;
    • • Bestrahlen der Oberfläche der Verspiegelung 10 und die Schicht des zweiten Flüssigen Trägermaterials mit elektromagnetischer Strahlung, wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λH, so gewählt ist, dass das zweite, flüssige Trägermaterial aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt. Es bildet sich eine Schicht 11 mit Kristallen mit paramagnetischen Zentren. Bevorzugt umfasst diese Schicht eine Vielzahl von Nanokristallen, die vorzugsweise vollkommen zufällig, gleichverteilt orientiert sind, und deren Dichte vorzugsweise im Wesentlichen nicht abhängig von der Position in der Schicht ist. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kristallen um Diamanten. Vorzugsweise handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren um NV-Zentren. Bei diesem Diamantmaterial handelt es sich bevorzugt um NV-reichem Diamantstaub in einem optisch transparentem Verbundmaterial, das für elektromagnetische Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl im Wesentlichen transparent ist
    • • Entfernen des nicht ausgehärteten, flüssigen, zweiten Trägermaterials insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des zweiten Trägermaterials auf der Oberfläche der Verspiegelung 10 nach optionaler Beschichtung mit einem weiteren Trägermaterial 12 zusammen mit den anderen Komponenten (9, 10, 11, 12) die Sensorschicht 5 bildet.
  • Typischerweise härtet das zweite, flüssige Trägermaterial nur teilweise aus, was die Bildung des optischen Funktionselements ermöglicht.
  • Die elektromagnetischen Strahlung mit der Aushärtewellenlänge λH weist eine Eindringtiefe in das zweite, flüssige Trägermaterial auf, so dass das zweite Trägermaterial nur bis zu einer gewissen Dicke des Trägermaterials aushärtet und so das optische Funktionselement bildet, was im Rahmen der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift erst als überraschendes und vorteilhaftes Vorgehen erkannt wurde.
  • Die Strahlung der zur Aushärtung des zweiten flüssigen Trägermaterials verwendeten Strahlung ist bevorzugt UV-Strahlung. Ganz besonders bevorzugt ist eine Strahlung zur Aushärtung mit einer Aushärtewellenlänge λH zwischen 320-380nm.
  • In bestimmten Anwendungsfällen können dem zweiten, flüssigen Trägermaterial Nanopartikel mit einem Durchmesser kleiner 200nm und/oder kleiner 100nm und/oder kleiner 50nm und/oder kleiner 20nm und/oder kleiner 10nm und/oder kleiner 5nm vor dem Bereitstellen beigemischt werden, sodass diese in dem Trägermaterial nach dem Aushärten eingelagert sind. Beispielsweise kann es sich um metallische Nanopartikel handeln.
  • Solche metallischen Nanopartikel wechselwirken mit Diamanten in dem zweiten Trägermaterial der Sensorschicht 9 und können beispielsweise die Fluoreszenzstrahlung dieser Diamanten DM beeinflussen.
  • Die optionalen metallischen Nanopartikel können beispielsweise Gold und/oder Platin und/oder Palladium und/oder Graphit und/oder Graphene und/oder Chrom und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur und/oder Magnesium und/oder Kalzium und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/oder Eisen und/oder Ruthenium und/oder Osmium und/oder Nickel und/oder Zinn und/oder Kadmium und/oder Quecksilber und/oder Cerium und/oder Neodym und/oder Samarium und/oder Gandolinium und/oder Dysprosium und/oder Erbium und/oder Ytterbium und/oder Thorium und/oder Proactinium und/oder Uran und/oder Plutonium und/oder Mischungen derselben umfassen.
  • Die Atome des Metalls der Nanopartikel umfassten naturgemäß eines oder mehrerer Elemente des Periodensystems der Elemente. Jedes dieser Elemente tritt in verschiedenen Isotopen in der Natur mit einem jeweiligen natürlichen Isotopenmischungsverhältnis auf. Jedes Isotop weit in der Natur dabei einen natürlichen Anteil entsprechend dem natürlichen Isotopenmischungsverhältnis auf. Diese Isotope können ein magnetisches Kernmoment µ aufweisen oder nichtaufweisen je nach Isotop. Die metallischen Nanopartikel weisen bevorzugt bei zumindest einem Element, das die metallischen Nanopartikel aufweisen, einen erhöhten Anteil im Isotopenmischungsverhältnis gegenüber dem natürlichen Anteil des Isotopenmischungsverhältnisses für zumindest eines der folgenden Isotope auf :12C, 14C, 28Si, 30Si, 70Ge, 72Ge, 74Ge, 76Ge,112Zn, 114Zn, 116Zn, 118Zn, 120Zn, 122Zn, 124Zn 16O, 18O, 32S, 34S, 36S, 74Se, 76Se, 78Se, 80Se, 82Se, 120Te, 122Te, 124Te, 126Te, 128Te, 130Te, 24Mg, 26Mg, 40Ca, 42Ca, 44Ca, 46Ca, 48Ca, 84Sr, 86Sr, 88Sr, 130Ba, 132Ba, 134Ba, 136Ba, 138Ba, 46Ti, 48Ti, 50Ti, 90Zr, 90Zr, 92Zr, 94Zr, 96Zr, 174Hf, 176Hf, 178Hf, 50Cr, 52Cr, 53Cr, 92Mo, 94Mo, 96Mo, 98Mo, 100Mo, 180W, 182W, 184W, 186W, 54Fe, 56Fe, 58Fe, 96Ru, 98Ru, 100Ru, 102Ru, 104Ru, 184Os, 186Os, 188Os, 190Os, 192Os 58Ni, 60Ni, 62Ni, 64Ni, 102Pd, 102Pd, 104Pd, 106Pd, 108Pd, 110Pd 190Pt, 192Pt 194Pt, 196Pt, 198Pt 64Zn, 66Zn, 68Zn, 70Zn, 106Cd, 108Cd, 110Cd, 112Cd, 114Cd, 116Cd, 196Hg, 198Hg, 200Hg, 202Hg, 204Hg 136Ce, 138Ce, 140Ce, 142Ce, 142Nd, 144Nd, 146Nd, 148Nd, 150Nd, 144Sm, 146Sm, 148Sm, 150Sm, 152Sm, 154Sm, 152Gd, 154Gd, 156Gd, 158Gd, 160Gd, 156Dy, 158Dy, 160Dy, 162Dy, 164Dy, 162Er, 164Er, 166Er, 168Er, 170Er, 168Yb, 170Yb, 172Yb, 174Yb, 176Yb, 232Th, 234Pa, 234U, 238U, 244Pu. „Erhöht“ bedeutet dabei im Sinne dieses Dokuments, dass der Anteil im Isotopenmischverhältnis der vorstehenden Isotope um 50% oder mehr erhöht ist.
  • Der Wert des Ausgangssignals jedes Sensorpixel, also jeder Lichtsensor des Lichtsensorarrays, gibt dann die Magnetfeldstärke am Ort des auf dem betreffenden Sensorpixel, also dem betreffenden Lichtsensor des Lichtsensorarrays, abgebildeten Diamantmaterial-Volumens wieder. Damit ist die Ortsauflösung nur durch die abbildende Optik und die Auflösung des Lichtsensorarrays, also die Sensorauflösung, begrenzt. Eine solche Vorrichtung kann somit mehrere Megapixel Auflösung realisieren.
  • Die Auswerteelektronik kann Schwankungen durch das Anregungslicht oder Inhomogenitäten im Diamantmaterial durch Verwendung von Werten einer zuvor durchgeführten Referenzmessung einer Referenzprobe herausrechnen. Die Anregung, Detektion und die optisch zugängliche Seite des Diamantmaterials befinden sich vorzugsweise in einem optisch geschlossenen Gehäuse, um den Einfluss von externem Licht zu unterdrücken.
  • Für größere Sensorflächen kann entsprechend der Arbeitsabstand und Fokus der Fluoreszenzkamera angepasst werden. Vorrichtungen, die mehrere Fluoreszenzkameras verwenden, um die Ortsauflösung bei größerer Sensorfläche zu erhöhen, sind denkbar. Die Auswerteelektronik kann dann die Mehrzahl der Bilder dieser Mehrzahl von Fluoreszenzkameras zu einem Bild verrechnen.
  • Ein Demonstrator hat seine Tauglichkeit zur ortsaufgelösten Messung von Magnetfeldern bei der Erprobung des Vorschlags bereits unter Beweis gestellt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DES VORSCHLAGS
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt einen Sensorkopf 21 mit einer Sensorschicht 5, einer Lichtquelle 2 für Pumpstrahlung 13 und einer Fluoreszenzkamera mit einem Lichtsensorarray 1 aus Lichtsensoren vor. Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugt paramagnetische Zentren. Diese paramagnetischen Zentren emittieren bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 Fluoreszenzstrahlung 14. Die Intensität der emittierten Fluoreszenzstrahlung 14 hängt dabei von der Intensität der Pumpstrahlung 13 und der Intensität der magnetischen Flussdichte B am jeweiligen Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums in der Sensorschicht 5 ab. Die Fluoreszenzkamera erfasst ein Fluoreszenzbild der Emissionsintensitätsverteilung für die Fluoreszenzstrahlungsemission der Fluoreszenzstrahlung 14 aus der Sensorschicht 5 und stellt dieses bereit.
  • Der Sensorkopf 21 kann Hilfsmagnete 19 umfassen.
  • Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugt Diamanten mit NV-Zentren als paramagnetische Zentren.
  • Außerdem schlägt das hier vorgelegte Dokument eine Magnetfeldkamera mit einem solchen Sensorkopf 21 und mit einem Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 vor, wobei das Rechnersystem 28 vorzugsweise dazu eingerichtet ist, aus einem Fluoreszenzbild des Sensorkopfes 21 ein Magnetflussdichtenbetragsbild zu erzeugen und/oder einen eindimensionalen Verlauf der Fluoreszenzintensität oder des Magnetflussdichtenbetrags längs einer Linie durch das Fluoreszenzbild hindurch zu erzeugen.
  • Das Weiteren schlägt das hier vorgelegte Dokument die Verwendung der oben beschriebenen Magnetfeldkamera und/oder des oben beschriebenen Sensorkopfes 21 für die Untersuchung des Magnetfelds magnetisierter Objekte und/oder für die Untersuchung der Struktur magnetisierter Objekte und/oder für die Untersuchung der Stromdichteverteilung in Objekten, die von einem elektrischen Strom durchflossen sind, vor.
  • Mit der hier vorgestellten technischen Lehre werden Bildformate für Magnetfeldkameras möglich, die bisher nicht realisierbar waren.
  • Im Folgenden listet das hier vorgelegte Dokument einige dieser Bildformate auf, die mittels der hier vorgestellten Magnetfeldkamera bei geeigneter Wahl der Kristallgröße der Kristalle und Nanokristalle 66 und einer geeigneten Wahl der Pixelanzahl des Lichtsensorarrays 1 möglich werden.
  • Bevorzugt sollte der Erfassungsbereich eines Lichtsensors (Pixels) des Lichtsensorarrays 1 auf der Oberfläche der Schicht 11 größer als das Doppelte des mittleren Durchmessers der Kristalle und/oder Nanokristalle 66 sein. Dann ist in der Regel das Nyquist-Theorem erfüllt. Bevorzugt sollte der Erfassungsbereich eines Lichtsensors (Pixels) des Lichtsensorarrays 1 auf der Oberfläche der Schicht 11 größer als das 5-Fache, besser 10-Fache, besser 20-Fache, besser 50-Fache des mittleren Durchmessers der Kristalle und/oder Nanokristalle 66 sein. Dies ermöglicht eine stochastische Gleichverteilung der Orientierung mehrerer Kristalle und/oder Nanokristalle, deren Fluoreszenzstrahlung von diesem Lichtsensor (Pixel) des Lichtsensorarrays 1 erfasst wird.
  • Magnetfeldkamera mit flächenhafter Pumpstrahlungsquelle
  • Das hier vorgelegte Dokument beschreibt unter anderem eine flächenhafte Pumpstrahlungsquelle für die Bestrahlung paramagnetischer Zentren mit Pumpstrahlung 13 mit einer Pumpstrahlungswellenlänge λpmp, wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ein oder mehreren primäre Pumpstrahlungsquellen insbesondere in Form von LEDs 44 umfasst. Die ein oder mehreren primäre Pumpstrahlungsquellen sind bevorzugt dazu eingerichtet, Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp zu emittieren.
  • Bevorzugt umfasst die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ein erstes optisches Funktionselement, insbesondere eine Glasplatte 46 und/oder einen flächenhaften Lichtwellenleiter und/oder ein optisches System. Das erste optische Funktionselement weist typischerweise eine erste Oberfläche 67 auf. Bevorzugt verteilt das erste optische Funktionselement die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp, die von den primären Pumpstrahlungsquellen emittiert wird, flächenhaft.
  • Typischerweise ist das erste optische Funktionselement somit dazu eingerichtet, dass aus einer ersten Oberfläche des ersten optischen Funktionselements der flächenhafte Pumpstrahlungsquelle diese flächenhaft verteilte Pumpstrahlung 13 flächenhaft austritt.
  • Diese flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ermöglicht eine Ausleuchtung der Schicht 11 mittels LEDs 44 anstelle von Laser-Dioden als primären Pumpstrahlungsquellen. Dies ist wesentlich kostengünstiger, als die Ausleuchtung mittels Lasern. Wenn in dem hier vorgelegten Dokument von LEDs 44 geschrieben ist, sind damit allerdings Laser als möglich primäre Pumpstrahlungsquellen mitumfasst.
  • In einer anderen Ausprägung umfassen somit die ein oder mehreren primären Pumpstrahlungsquellen der flächenhaften Pumpstrahlungsquelle ein oder mehreren LEDs 44 als primäre Pumpstrahlungsquellen der Pumpstrahlung 13. Dies ermöglicht eine gute und vor allem homogenere Ausleuchtung der Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13.
  • In einer anderen Ausprägung umfasst das erste optische Funktionselement eine oder mehrere der folgenden optischen Funktionselemente:
    • • eine Glasplatte 46 und/oder
    • • einen flächenhaften Lichtwellenleiter und/oder
    • • eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern, die einem flächenhaften Lichtwellenleiter funktionsäquivalent sind, und/oder
    • • ein mikrooptisches System mit zumindest einem photonischen Kristall, das dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp flächenhaft zu verteilen, und/oder
    • • ein mikrooptisches System mit zumindest einem mikrooptischen Spiegel, das dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp flächenhaft zu verteilen, und/oder
    • • ein anderes optisches System, das dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp flächenhaft zu verteilen.
  • Dieses erste optische Funktionselement ermöglicht somit die flächige Verteilung der Pumpstrahlung 13 zur Bestrahlung der Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13.
  • In einer anderen Ausprägung bestrahlt die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle eine flächenhafte Schicht 11 mit flächenhaft verteilten Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp flächenhaft. Dieses erste optische Funktionselement ermöglicht somit die flächige Verteilung der Pumpstrahlung 13 zur Bestrahlung der Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13.
  • In einer anderen Ausprägung umfasst die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle die Schicht 11 und bestrahlt die Schicht 11 über die erste Oberfläche 67. Dabei ist in dieser anderen Ausprägung die Schicht 11 mit der ersten Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements, hier der Glasplatte 46, direkt oder indirekt mechanisch verbunden. Bevorzugt bedeckt die Schicht 11 die erste Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements, hier der Glasplatte 46, ganz oder teilweise.
  • Dies ermöglicht eine sehr einfache Konstruktion einer flächenhaften Fluoreszenzstrahlungsquelle als Zusammenstellung der Schicht 11 mit der flächenhaften Pumpstrahlungsquelle, wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle die Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13 flächenhaft bestrahlt und daraufhin die paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 flächenhaft Fluoreszenzstrahlung 14 in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums in der Schicht 11 emittieren. Hierdurch ergibt sich somit eine flächenhafte Fluoreszenzstrahlungsquelle, bei der die Intensität der lokal an einem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abgestrahlten Fluoreszenzstrahlung 14 von der magnetischen Flussdichte an diesem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abhängt.
  • In einer anderen Ausprägung emittiert die Schicht 11 örtlich unterschiedlich je nach dem Wert des lokalen Betrags der magnetischen Flussdichte in der Schicht 11 eine Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl. Auch Hierdurch ergibt sich somit eine flächenhafte Fluoreszenzstrahlungsquelle, bei der die Intensität der lokal an einem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abgestrahlten Fluoreszenzstrahlung 14 von der magnetischen Flussdichte an diesem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abhängt.
  • In einer anderen Ausprägung umfasst die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ein weiteres optisches Funktionselement, das elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp von der elektromagnetischen Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl separiert. Hierdurch ergibt sich somit eine flächenhafte Fluoreszenzstrahlungsquelle, bei der die Intensität der lokal an einem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abgestrahlten Fluoreszenzstrahlung 14 von der magnetischen Flussdichte an diesem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abhängt und die keine Pumpstrahlung emittiert, was den Kontrast erhöht.
  • In einer anderen Ausprägung umfasst das weitere optische Funktionselement eines oder mehrere der folgenden optischen Funktionselemente:
    • • eine dichroitisch verspiegelte Schicht 47 und/oder
    • • einen optischen Filter (Longpass) 6.
  • Dies ermöglicht eine sehr einfache Konstruktion der Separationsvorrichtung für die Separation der elektromagnetischen Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp von der elektromagnetischen Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl.
  • In einer anderen Ausprägung separiert das weitere optische Funktionselement die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp von der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl zu separieren. Hierdurch ergibt sich somit eine flächenhafte Fluoreszenzstrahlungsquelle, bei der die Intensität der lokal an einem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abgestrahlten Fluoreszenzstrahlung 14 von der magnetischen Flussdichte an diesem Punkt der Abstrahlungsfläche der flächigen Fluoreszenzstrahlungsquelle abhängt und die keine Pumpstrahlung emittiert, was den Kontrast erhöht.
  • Herstellverfahren für die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle
  • Das hier vorgelegte Dokument stellt darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (44, 46) vor. Das Verfahren beginnt mit der Bereitstellung von ein oder mehreren primären Pumpstrahlungsquellen. Dabei emittieren die ein oder mehreren primären Pumpstrahlungsquellen Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Ein weiterer Schritt umfasst das Bereitstellen eines ersten optischen Funktionselements, beispielsweise einer Glasplatte 46. Typischerweise weist das erste optische Funktionselement eine erste Oberfläche 67 auf. Bevorzugt verteilt das erste optische Funktionselement die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp, die die primären Pumpstrahlungsquellen emittieren, flächenhaft. Das erste optische Funktionselement somit dazu eingerichtet ist, dass aus der ersten Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements der flächenhafte Pumpstrahlungsquelle diese flächenhaft verteilte Pumpstrahlung 13 flächenhaft austritt. Ein weiterer Schritt des Verfahrens ist typischerweise ein mechanisches Verbinden der primären Pumpstrahlungsquellen mit dem ersten optischen Funktionselement. Hierbei kann beispielsweise ein Schaltungsträger (PCB) 43 die mechanische Verbindung mittels Lötungen und/oder Klebungen herstellen. Die primären Pumpstrahlungsquellen sind vorzugsweise nach dem mechanischen Verbinden dazu eingerichtet, Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp bei elektrischer Aktivierung z.B. durch Bestromung zu emittieren und in das erste optische Funktionselement, insbesondere über eine Kante des ersten optischen Funktionselements und/oder eine Seitenfläche des ersten optischen Funktionselements, einzuspeisen. Das erste optische Funktionselement ist vorzugsweise dazu eingerichtet, dass die Pumpstrahlung 13 sich innerhalb des ersten optischen Funktionselements flächenhaft in einer Lichtfläche ausbreitet. Das erste optische Funktionselement strahlt vorzugsweise über die erste Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp senkrecht zur vorbeschriebenen Lichtfläche der Pumpstrahlung 13 innerhalb des ersten optischen Funktionselements Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp ab.
  • In einer anderen Ausprägung umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 als einen Schritt das Bereitstellen eines ersten optisches Funktionselement, insbesondere einer Glasplatte (46) und/oder eines flächenhaften Lichtwellenleiters und/oder eines optischen Systems. Des Weiteren umfasst das Verfahren in dieser Ausprägung bevorzugt das Bereitstellen eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λH härtbaren flüssigen, zweiten Trägermaterials. Dabei sind bevorzugt in das zweite, flüssige Trägermaterial eine Vielzahl von Diamanten, vorzugsweise Nanodiamanten, bzw. Kristallen 66, vorzugsweise Nanokristallen 66, eingebettet. Bevorzugt weisen einer oder mehrere oder alle Diamanten dieser Diamanten bzw. Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 NV-Zentren und/oder andere paramagnetischen Zentren auf. Bevorzugt emittieren die NV-Zentren der Diamanten bzw. Kristalle 66 bzw. Nanokristalle 66 des zweiten, flüssigen Trägermaterials und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten bzw. Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 des zweiten, flüssigen Trägermaterials bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 zumindest eine Fluoreszenzstrahlung 14. In dieser Ausprägung umfasst das hier vorgestellte Verfahren zur Herstellung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (44, 46) bevorzugt den Schritt des Benetzens und Beschichtens der ersten Oberfläche 67 des ersten optisches Funktionselements, insbesondere der Glasplatte 46 und/oder des flächenhaften Lichtwellenleiters und/oder des optischen Systems, mit dem zweiten, flüssigen Trägermaterial, das vorzugsweise die Vielzahl eingebetteter Diamanten bzw. eingebetteter Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 aufweist. Das hier vorgestellte Verfahren zur Herstellung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (44, 46) umfasst als weiteren Schritt vorzugsweise das Bestrahlen der ersten Oberfläche 67 des ersten optisches Funktionselements, insbesondere der Glasplatte (46) und/oder des flächenhaften Lichtwellenleiters und/oder des optischen Systems, und/oder der Schicht des zweiten Flüssigen Trägermaterials mit elektromagnetischer Strahlung, wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λH, so gewählt ist, dass das zweite, flüssige Trägermaterial aushärtet und sich in einen Festkörper, insbesondere in Form der Schicht 11, wandelt. Bevorzugt wird hierzu an den Stellen des ersten optischen Funktionselements - also beispielsweise der Glasplatte 46 - an dem die primären Pumpstrahlungsquellen - also beispielsweise die LEDs 44 - die Pumpstrahlung 13 später einspeisen sollen, Aushärtestrahlung als elektromagnetischen Strahlung mit der Aushärtewellenlänge λH, eingespeist. Hierdurch wird die Schicht selbstjustierend auf der ersten Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements - also beispielsweise der Glasplatte 46 - ausgehärtet und damit gefertigt.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfasst die Schicht 11 eine Vielzahl von Kristallen 66 und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 sind die Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 in der Schicht 11 vollkommen zufällig und im Wesentlichen gleichverteilt orientiert sind, und/oder die Dichte Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 in der Schicht 11 ist vorzugsweise im Wesentlichen nicht abhängig von der Position in der Schicht 11.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfassen die Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 Diamanten. Bevorzugt umfassen die Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 in dieser Ausprägung paramagnetischen Zentren. Bevorzugt umfassen in dieser Ausprägung die Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 Diamanten mit NV-zentren umfassen.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 handelt es sich bei der Schicht 11 um ein optisch transparentes Verbundmaterial, das für elektromagnetische Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl im Wesentlichen transparent ist.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Entfernens des nicht ausgehärteten, flüssigen, zweiten Trägermaterials insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des zweiten Trägermaterials auf der ersten Oberfläche 67 des ersten optisches Funktionselements, insbesondere der Glasplatte 46, die Schicht 11 bildet.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt der Beschichtung der Schicht 11 mit einer Verspiegelung 10.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt der Beschichtung der Schicht 11 und/oder der Verspiegelung 10 mit einem weiteren Trägermaterial 12.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Verwendens der Schicht 11 zusammen mit anderen Komponenten (9, 10, 12) als Sensorschicht 5 eines Sensorkopfes 21.
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des ganzflächigen oder bereichsweisen Herstellens eines Diffusors oder einer Diffusor Schicht 69 auf der ersten Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements.
  • Herstellen der Sensorschicht 5 auf einem Trägermaterial 9
  • In einer anderen Ausprägung des Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 in einem Gehäuse 8 umfasst das Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 als ersten Schritt das Bereitstellen eines ersten Trägermaterials 9. Ein weiterer Schritt dieses Verfahrens zur Herstellung einer Sensorschicht 5 in einem Gehäuse 8 umfasst das Beschichten der Oberfläche der Oberseite des ersten Trägermaterials 9 mit einer Verspiegelung 10. Das Verfahren umfasst auch das Bereitstellen eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λH härtbaren flüssigen, zweiten Trägermaterials. Dabei sind vorzugsweise in das zweite, flüssige Trägermaterial eine Vielzahl von Diamanten, vorzugsweise Nanodiamanten, bzw. Kristallen 66, vorzugsweise Nanokristallen 66, eingebettet. Dabei weisen bevorzugt einer oder mehrere oder alle Diamanten dieser Diamanten bzw. Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 NV-Zentren und/oder andere paramagnetischen Zentren auf. Dabei emittieren die NV-Zentren der Diamanten bzw. Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 des zweiten, flüssigen Trägermaterials und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten bzw. Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 des zweiten, flüssigen Trägermaterials bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 zumindest eine Fluoreszenzstrahlung 14. Das Verfahren umfasst vorzugsweise das Benetzen der Oberfläche der Verspiegelung 10 mit dem zweiten, flüssigen Trägermaterial, das die Vielzahl eingebetteter Diamanten bzw. eingebetteter Kristalle 66 und/oder Nanokristalle 66 aufweist. Bevorzugt umfasst das Verfahren das Bestrahlen der Oberfläche der Verspiegelung 10 und der Schicht des zweiten flüssigen Trägermaterials mit elektromagnetischer Strahlung. Dabei ist die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λH, vorzugsweise so gewählt, dass das zweite, flüssige Trägermaterial aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt. Typischerweise bildet sich eine Schicht 11 mit Kristallen 66 und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren. Bevorzugt umfasst diese Schicht 11 eine Vielzahl von Nanokristallen 66, die vorzugsweise vollkommen zufällig, gleichverteilt orientiert sind, und deren Dichte vorzugsweise im Wesentlichen nicht abhängig von der Position in der Schicht 11 ist. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kristallen um Diamanten. Vorzugsweise handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren um NV-Zentren. Bei diesem Diamantmaterial handelt es sich bevorzugt um NV-reichem Diamantstaub aus Kristallen 66 und/oder Nanokristallen 66 in einem optisch transparentem Verbundmaterial, das für elektromagnetische Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl im Wesentlichen transparent ist. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst bevorzugt das Entfernen des nicht ausgehärteten, flüssigen, zweiten Trägermaterials insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des zweiten Trägermaterials auf der Oberfläche der Verspiegelung 10 nach optionaler Beschichtung mit einem weiteren Trägermaterial 12 zusammen mit den anderen Komponenten (9, 10, 11, 12) die Sensorschicht 5 bildet.
  • Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44)
  • Das hier vorgelegte Dokument beschriebt darüber hinaus ein Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44). Schritte des Verfahrens sind das Bereitstellen der flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) und das Bereitstellen einer flächenhaften Schicht 11, wobei die flächenhafte Schicht 11 eine Vielzahl von Kristallen 66 und/oder Nanokristallen 66 umfasst, die paramagnetische Zentren aufweisen. Das Verfahren umfasst bevorzugt das Bestrahlen der flächenhaften Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13 einer Pumpstrahlungsquelle (2, 44), wobei die Pumpstrahlung 13 eine Pumpstrahlungswellenlänge λpmp aufweist. Paramagnetische Zentren von Kristallen 66 und/oder Nanokristallen 66 der flächenhaften Schicht 11 emittieren bei dieser Bestrahlung durch die die Pumpstrahlung 13 der flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) flächenhaft Fluoreszenzstrahlung 14. Das Verfahren umfasst des Weiteren bevorzugt das Separieren der Fluoreszenzstrahlung 14 von der Pumpstrahlung 13 mittels eines Separationsmittels (6, 47). Typischerweise können optische Filter (Longpass) 6 und/oder dichroitisch verspiegelte optionale Schichten 47 solche Separationsmittel (6,47) darstellen. Das Verfahren umfasst auch das Erfassen der Fluoreszenzstrahlung 14 mittels eines Erfassungsmittels 15, 1. Typischerweise können die Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder die Auswerteelektronik 15 der Fluoreszenzkamera solche Erfassungsmittel 15, 1 darstellen.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren das Abbilden der Verteilung der örtlichen Intensität der flächenhaften Emission der Fluoreszenzstrahlung 14 mittels einer bildgebenden Optik 7 auf ein Lichtsensorarray 1;
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren das Erfassen von Messwerten von Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Aufbereitung dieser Messwerte in einer Auswerteelektronik 15 und vorzugsweise das Bilden eines Fluoreszenzbildes aus solchen Messwerten.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren das Komprimieren der erfassten Messwerte von Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Aufbereitung dieser Messwerte in einer Auswerteelektronik 15 insbesondere zu einem komprimierten Fluoreszenzbild. Beispielsweise kann der Sensorkopf 21 Formate verlustfreier Bildkompressionsverfahren wie GIF, RAW, BMP, PNG erzeugen. Beispielsweise kann der Sensorkopf 21 Formate verlustbehafteter Bildkompressionsverfahren wie JPEG erzeugen.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren das Übertragen eines Fluoreszenzbildes und/oder eines komprimierten Fluoreszenzbildes an ein übergeordnetes Rechnersystem 28.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren die Dekomprimierung des empfangenen komprimierten Fluoreszenzbildes zu einem übertragenen Fluoreszenzbild im übergeordneten Rechnersystem 28 und/oder die Verwendung des empfangenen Fluoreszenzbildes zu einem übertragenen Fluoreszenzbild im übergeordneten Rechnersystem 28.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren das Ermitteln eines Bildes der eindimensionalen und/oder zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Verteilung der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von einem oder mehreren übertragenen oder erfassten Fluoreszenzbildern. Vorzugsweise führt ein übergeordnetes Rechnersystem 28 diese Ermittlung aus.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren die Darstellung eines Bildes der eindimensionalen und/oder zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Verteilung der magnetischen Flussdichte und/oder eines einem oder mehrerer übertragener oder erfasster Fluoreszenzbilder und/oder daraus errechneter Bilder auf einem Display 32 oder einem anderen Medium zur Darstellung von Bildern.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren das Erzeugen einer Video-Sequenz aus mehreren eines Bildes der eindimensionalen und/oder zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Verteilung der magnetischen Flussdichte und/oder aus einem oder mehreren übertragenen oder erfassten Fluoreszenzbildern und/oder aus daraus errechneten Bildern. Die Auswerteelektronik 15 und/oder das übergeordnete Rechnersystem 28 können diese Videosequenzerzeugung vornehmen.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren die Kompression der Video-Sequenz zu einer komprimierten Video-Sequenz. Dabei können die Auswerteelektronik 15 und/oder das übergeordnete Rechnersystem 28 diese Kompression vornehmen. Bevorzugt benutzen diese eines der folgenden Kompressionsverfahren: AVC, HEVC, MPEG. Bevorzugt erstellt die Auswerteelektronik 15 des Sensorkopfes 21 die Video-Sequenz und komprimiert diese mittels eines Kompressionsverfahrens und überträgt die so komprimierte Video-Sequenz dann über den Datenbus 29 an das übergeordnete Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21.
  • In einer weiteren Ausprägung des Verfahrens zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) umfasst das Verfahren die Darstellung der Video-Sequenz auf einem Display 32 oder einem anderen Medium zur Darstellung von Video-Sequenzen.
  • Sensorkopf
  • Das hier vorgestellte Dokument schlägt auch einen Sensorkopf 21 mit einer Sensorschicht 5 und einer Lichtquelle (2, 44) für Pumpstrahlung 13 und einer Fluoreszenzkamera mit einem Lichtsensorarray 1 aus Lichtsensoren vor. Auch hierbei umfasst bevorzugt die Sensorschicht 5 paramagnetische Zentren, die bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 Fluoreszenzstrahlung (14) emittieren. Dabei hängt die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 von der Intensität der Pumpstrahlung 13 und der Intensität der magnetischen Flussdichte am jeweiligen Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums ab. Vorschlagsgemäß erfasst die Fluoreszenzkamera ein Fluoreszenzbild der Emissionsintensitätsverteilung für die Emission der Fluoreszenzstrahlung 14 aus der Sensorschicht 5 und stellt das Fluoreszenzbild bereit.
  • In einer weiteren Ausprägung des Sensorkopfes 21 umfasst der der Sensorkopf Hilfsmagnete 19.
  • In einer weiteren Ausprägung des Sensorkopfes 21 umfasst die Sensorschicht 5 Diamanten mit NV-Zentren als paramagnetische Zentren.
  • Magnetfeldkamera
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt eine Magnetfeldkamera mit einem der vorbeschriebenen Sensorköpfe 21 vor. Die Magnetfeldkamera weist dabei ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 auf, wobei das Rechnersystem 28 vorzugsweise aus einem Fluoreszenzbild des Sensorkopfes 21 und/oder aus einem daraus berechneten Bild
    • • ein Magnetflussdichtenbetragsbild und/oder
    • • ein Bild der eindimensionales und/oder zweidimensionales und/oder dreidimensionales Verteilung der magnetischen Flussdichte und/oder
    • • einen Datensatz mit Werten eines eindimensionalen Verlaufs der Fluoreszenzintensität oder des Magnetflussdichtenbetrags längs einer Linie durch das Fluoreszenzbild und/oder das daraus berechneten Bild hindurch

    erzeugt.
  • Verwendung einer Magnetfeldkamera
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, eine der vorbesprochenen Magnetfeldkameras für die Untersuchung des Magnetfelds magnetisierter Objekte zu verwenden.
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, eine der vorbesprochenen Magnetfeldkameras für die Untersuchung der Struktur magnetisierter Objekte zu verwenden.
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, eine der vorbesprochenen Magnetfeldkameras für die Untersuchung der Materialzusammensetzung magnetisierter Objekte zu verwenden.
  • Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, eine der vorbesprochenen Magnetfeldkameras für die Untersuchung der Stromdichteverteilung in Objekten, die von einem elektrischen Strom durchflossen sind, zu verwenden.
  • Auflösung
  • Vorzugsweise liefert die Fluoreszenzkamera nach Dekompression ein Bild mit mehr als 19000 Pixeln.
  • Mögliche Bildformate für die Magnetfeldkamera sind je nach Lichtsensorarray-Format des Lichtsensorarrays 1 beispielsweise (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Bildaufl%C3%B6sung)
    Abkürzung Name × y x:y DAR PAR x·y
    QQVGA Quarter QVGA [2][3] 160 × 120 4:3 4:3 1:1 19.200
    GB Game Boy[4] 160 × 144 4:3 4:3 1:1 23.040
    GBC Game Boy Color [5] 160 × 144 4:3 4:3 1:1 23.040
    Palm LoRes Palm Low Resolution 160 × 160 1:1 1:1 1:1 25.600
    GBA Game Boy Advance [6] 240 × 160 3:2 3:2 1:1 38.400
    ⅛VGA ⅛ VGA 240 × 180 4:3 4:3 1:1 43.200
    ZXS ZX Spectrum 256 × 192 4:3 4:3 1:1 49.152
    NDS Nintendo DS[7] 256 × 192 4:3 4:3 1:1 49.152
    3DS Nintendo 3DS Auflösung je Auge[8] 400 × 240 5:3 5:3 1:1 96.000
    CGA Color Graphics Adapter[3] 320 × 200 8:5 4:3 0.833 64.000
    QVGA Quarter VGA[3] 320 × 240 4:3 4:3 1:1 76.800
    360 × 240 3:2 3:2 1:1 86.400
    384 × 240 8:5 4:3 0.833 92.160
    Palm HiRes Palm High Resolution 320 × 320 1:1 1:1 1:1 102.400
    QSVGA Quarter SVGA 400 × 300 4:3 4:3 1:1 120.000
    WQVGA Wide QVGA 432 × 240 9:5 9:5 1:1 103.680
    480 × 160 3:1 3 1:1 76.800
    PSP PlayStation Portable[9] 480 × 272 16:9 16:9 1.007 130.560
    HVGA Half VGA[2] 480 × 320 3:2 3:2 1:1 153.600
    PSION Serie 5 640 × 240 8:3 8:3 1:1 153.600
    480 × 360 4:3 4:3 1:1 172.800
    EGA Enhanced Graphics Adapter [3] 640 × 350 64:35 4:3 0.729 224.000
    QHD Quarter HD 640 × 360 16:9 16:9 1:1 230.400
    HSVGA Half SVGA 600 × 400 3:2 3:2 1:1 240.000
    VGA Video Graphics Array[2] 640 × 480 4:3 4:3 1:1 307.200
    HGC Hercules Graphics Card 720 × 348 60:29 4:3 0.644 250.560
    MDA Monochrom e Display Adapter 720 × 350 72:35 4:3 0.648 252.000
    Apple Lisa 720 × 364 ≈ 2: 1 4:3 0.674 262.080
    WVGA, WGA Wide VGA 720 × 400 9:5 9:5 1:1 288.000
    720 × 480 3:2 3:2 1:1 345.600
    720 × 540 4:3 4:3 1:1 388.800
    WVGA, WGA Wide VGA 800 × 480 5:3 5:3 1:1 384.000
    WVGA, WGA Wide VGA 848 × 480 ≈ 16:9 16:9 1.006 407.040
    WVGA, WGA Wide VGA 852 × 480 ≈ 16:9 16:9 1.001 408.960
    WVGA, WGA Wide VGA 858 × 484 ≈ 16:9 16:9 1.002 415.272
    WVGA, WGA Wide VGA 864 × 480 9:5 9:5 1:1 414.720
    PAL-D PAL Digital[3] 768 × 576 4:3 4:3 1:1 442.368
    SVGA Super VGA[3][2] 800 × 600 4:3 4:3 1:1 480.000
    HXGA Half Megapixel (Apple) 832 × 624 4:3 4:3 1:1 519.168
    qHD, QHD Quarter HD 960 × 540 16:9 16:9 1:1 518.400
    960 × 540 16:9 16:9 1:1 518.400
    PS Vita PlayStation Vita 964 × 544 16:9 16:9 1:1 524.416
    964 × 544 ≈ 16: 9 16:9 1:1 524.416
    DVGA Double VGA 960 × 640 3:2 3:2 1:1 614.400
    960 × 720 4:3 4:3 1:1 691.200
    WXGA Wide XGA 1024 × 576 16:9 16:9 1:1 589.824
    WSVGA Wide SVGA [3] 1024 × 600 ≈ 17:10 16:9 1.041 614.400
    WSVGA Wide SVGA 1072 × 600 ≈ 16:9 16:9 0.995 643.200
    EVGA Extended VGA 1024 × 768 4:3 4:3 1:1 786.432
    XGA Extended Graphics Array[2][3] 1024 × 768 4:3 4:3 1:1 786.432
    XGA XGA+[3] 1152 × 864 4:3 4:3 1:1 995.328
    HD720, 720p High Definition, „HD ready"[3] 1280 × 720 16:9 16:9 1:1 921.600
    WXGA Wide XGA (Bright View) 1280 × 768 5:3 5:3 1:1 983.040
    DSVGA Double SVGA 1200 × 800 3:2 3:2 1:1 960.000
    WXGA Wide XGA[3] 1280 × 800 8:5 8:5 1:1 1.024.000
    OLPC One Laptop per Child 1200 × 900 4:3 4:3 1:1 1.080.000
    SXVGA, QVGA Super Extended VGA, Quad VGA 1280 × 960 4:3 4:3 1:1 1.228.800
    SXGA Super XGA[2][3] 1280 × 102 4 5:4 5:4 1:1 1.310.720
    WXGA Wide XGA 1360 × 768 ≈ 16:9 16:9 1.003 1.044.480
    WXGA Wide XGA 1366 × 768 ≈ 16:9 16:9 0.999 1.049.088
    WXGA Wide XGA 1376 × 768 ≈ 16:9 16:9 0.992 1.056.768
    WXGA+ WXGA Plus[3] 1400 × 900 14:9 14:9 1:1 1.260.000
    WXGA+ WXGA Plus 1440 × 900 8:5 8:5 1:1 1.296.000
    (Apple) 1440 × 960 3:2 3:2 1:1 1.382.400
    SXGA+ SXGA Plus[3] 1400 × 105 0 4:3 4:3 1:1 1.470.000
    UWXGA Ultra Wide XGA 1600 × 768 25:12 2.083 1:1 1.228.800
    WSXGA Wide SXGA[3] 1600 × 900 16:9 16:9 1:1 1.440.000
    WSXGA Wide SXGA[3] 1600 × 102 4 25:16 25:16 1:1 1.638.400
    UXGA Ultra XGA[2][3] 1600 × 120 0 4:3 4:3 1:1 1.920.000
    WSXGA+ Wide SXGA+[3] 1680 × 105 0 8:5 8:5 1:1 1.764.000
    FHD, HD1080, 1080p High Definition, „Full HD“ 1920 × 108 0 16:9 16:9 1:1 2.073.600
    WUXGA Wide UXGA[3] 1920 × 120 0 8:5 8:5 1:1 2.304.000
    2K-DCI 2K - Digital Cinema Initiatives 2048 × 108 0 256:13 5 256:135 1:1 2.211.840
    QWXGA Quad WXGA 2048 × 115 2 16:9 16:9 1:1 2.359.296
    TXGA Tesselar XGA 1920 × 140 0 48:35 1.371 1:1 2.688.000
    1920 × 1440 4:3 4:3 1:1 2.764.80 0
    SUXGA Super UXGA 2048 × 153 6 4:3 4:3 1:1 3.145.728
    QXGA Quad XGA[2][3] 2048 × 153 6 4:3 4:3 1:1 3.145.728
    FHD+ Full HD+ 2160 × 108 0 18:9 18:9 1:1 2.332.800
    FHD+ Full HD+ 2340 × 108 0 2.10:1 2.10:1 1:1 2.527.200
    UWFHD Ultra Wide FHD 2560 × 108 0 21:9 21:9 1:1 2.764.800
    WQHD, 1440p Wide QHD (QH D), [3] „2K"[10] 2560 × 144 0 16:9 16:9 1:1 3.686.400
    WQXGA Wide QXGA[3] 2560 × 160 0 8:5 8:5 1:1 4.096.000
    QSXGA Quad SXGA[3] 2560 × 204 8 5:4 5:4 1:1 5.242.880
    QHD+ Quad High Definition Plus 3200 × 180 0 16:9 16:9 1:1 5.760.000
    QSXGA+ Quad SXGA+ 2800 × 210 0 4:3 4:3 1:1 5.880.000
    DFHD Double Full HD 3840 × 108 0 32:9 32:9 1:1 4.147.200
    2K+ Quad HD+ 2880 × 144 0 18:9 18:9 1:1 4.147.200
    2K+ Quad HD+ 2960 × 144 0 18,5:9 / 19:9 18,5:9 / 19:9 1:1 4.262.400
    DWUXG A Double WUXGA 3840 × 120 0 32:10 32:10 1:1 4.608.000
    WQSXGA Wide QSXGA 3200 × 204 8 25:16 25:16 1:1 6.553.600
    QUXGA Quad UXGA[2] 3200 × 240 0 4:3 4:3 1:1 7.680.000
    HSVGA Hex SVGA 3200 × 240 0 4:3 4:3 1:1 7.680.000
    UWQHD, 1440p Ultra Wide QHD (QHD) 3440 × 144 0 21:9 43:18 1:1 4.953.600
    QHD 1440p Quad High Definition 3440 × 144 0 21:9 43:18 1:1 4.953.600
    UWQXG A Ultra Wide QXGA 3840 × 160 0 2.35:1 2.35:1 1:1 6.144.000
    QHD+ 1600p UW4k Quad High Definition Plus (Ultra Wide 4K) 3840 × 160 0 2.35:1 2.35:1 1:1 6.144.000
    UHD 4K, 2160p Ultra High Definition „4K"[3] 3840 × 216 0 16:9 16:9 1:1 8.294.400
    QWUXG A Quad WUXGA 3840 × 240 0 8:5 8:5 1:1 9.216.000
    WQUXG A Wide QUXGA 3840 × 240 0 8:5 8:5 1:1 9.216.000
    4K-DCI, 4K2K 4K - Digital Cinema Initiatives, High Definition, „4K2K"[3] 4096 × 216 0 256:13 5 256:135 1:1 8.847.360
    Apple iMac Retina 4K 4096 × 2304 16:9 16:9 1:1 9.437.184
    HXGA Hex XGA 4096 × 307 2 4:3 4:3 1:1 12.582.912
    DQHD Double QHD 5120 × 144 0 32:9 32:9 1:1 7.372.800
    WUHD Wide UHD, „5K2K"[3] 5120 × 216 0 21:9 21:9 1:1 11.059.200
    UHD+ Ultra High Definition Plus, „5K"[3] 5120 × 288 0 16:9 16:9 1:1 14.745.600
    WHXGA Wide HXGA 5120 × 320 0 8:5 8:5 1:1 16.384.000
    Apple Pro Display XDR 6016 × 3384 16:9 16:9 1:1 20.358.14 4
    HSXGA Hex SXGA 5120 × 409 6 5:4 5:4 1:1 20.971.520
    WHSXGA Wide HSXGA 6400 × 409 6 25:16 25:16 1:1 26.214.400
    HUXGA Hex UXGA 6400 × 480 0 4:3 4:3 1:1 30.720.000
    FUHD, 4320p Full UHD, 8K[3] 7680 × 432 0 16:9 16:9 1:1 33.177.600
    WHUXG A Wide HUXGA 7680 × 480 0 8:5 8:5 1:1 36.864.000
    8K-DCI 8K - Digital Cinema Initiatives 8192 × 432 0 256:13 5 256:135 1:1 35.389.440
    QUHD, 8640p Quad UHD, „16K"[3] 1536 0 × 864 0 16:9 16:9 1:1 132.710.40 0
  • Für die Übertragung der Videosequenzen vom Sensorkopf 21 zu einem übergeordneten Rechnersystem 28 kommen beispielsweise folgende Video-Formate in Frage: Einige Videoformate: (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Bildaufl%C3%B6sung)
    Format Technik Breite Höhe Seitenverh. Pixel
    VHS analog 320 240 4:3 76.800 (0,08 MP)
    Hi8 analog 533 400 4:3 213.200 (0,21 MP)
    S-VHS analog 533 400 4:3 213.200 (0,21 MP)
    LD analog 640 480 4:3 307.200 (0,30 MP)
    VCD (PAL) digital 352 288 4:3 101.376 (0,10 MP)
    SVCD (PAL) digital 480 576 4:3 276.480 (0,28 MP)
    DVB (PAL), DVD-Video (PAL) digital 720 576 4:3 oder 16:9 414.720 (0,41 MP)
    HDTV („720p“) digital 1280 720 16:9 921.600 (0,92 MP)
    FullHD („1080p“) digital 1920 1080 16:9 2.073.600 (2,07 MP)
    WUXGA digital 1920 1200 16:10 2.304.000 (2,30 MP)
    HD-MAC / QWXGA analog / digital 2048 1152 16:9 2.359.296 (2,36 MP)
    2K digital 2048 1536 4:3 3.145.728 (3,15 MP)
    UHDV-1 („2160p“) digital 3840 2160 16:9 8.294.400 (8,30 MP)
    4K digital 4096 3072 4:3 12.582.912 (12,58 MP)
    UHDV-2 digital 7680 4320 16:9 33.177.600 (33,20 MP)
    UHXGA digital 7680 4800 16:10 36.864.000 (36,90 MP)
  • Bevorzugt weist ein durch die Magnetfeldkamera verwendete Videoformat für die Übertragung der Videosequenzen mehr als 70000 Pixel pro Frame nach Dekompression auf.
  • Bevorzugt überträgt der Sensorkopf 21 die Video-Sequenzen mit einer Bildrate von mehr als 5fps, besser mehr als 10fps, besser mehr als 20fps, besser mehr al 50fps, besser mehr als 100fps an das übergeordnete Rechnersystem 28. (fps=frames per second = Biilder pro Sekunde)
  • Vorteile
  • Der hier vorgestellte Vorschlag Erfindung ist frei skalierbar und bietet eine deutlich bessere Ortsauflösung als gängige Lösungen.
  • Vorteile gegenüber aktueller Technik sind:
    • • Die frei wählbare Sensorfläche der Sensorschicht (5 an der Unterseite 24 des Sensorkopfes 21 ermöglicht auch die Vermessung gekrümmter und flexibler Flächen.
    • • Der Sensorkopf 21 bietet eine erhöhte Ortsauflösung bis maximal zur Partikelgröße der Nanodiamanten mit den NV-zentren in der Sensorschicht 5. Dies Größe kann beispielsweise bei ~100nm liegen!
    • • Der Sensorkopf 21 bietet eine erhöhte Zeitauflösung aufgrund der hohen möglichen Bildübertrahungsrate.
    • • Der Sensorkopf 21 bietet eine erhöhte galvanische Trennung. Die die Sensorschicht 5 ist bevorzugt aus einem dielektrischen, isolierendem Material gefertigt und beeinflusst damit typischerweise nicht das zu messende Magnetfeld.
    • • Die Sensorschicht 21 ist typischerweise unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und Einstrahlungen und strahlt selbst keine elektromagnetischen Wellen im Radiobereich oder Mikrowellenbereich ab. Sie ist damit anderen Quantensensoren überlegen.
  • Liste der Figuren
    • 1 zeigt die vorschlagemäße Vorrichtung in Form des vorschlagsgemäßen Sensorkopfes 21 aus einer ersten Ansicht.
    • 2 zeigt die Vorrichtung mit aufgesetztem Deckel zum lichtdichten Verschluss des Gehäuses 8.
    • 3 entspricht der 1, wobei die beispielhafte Vorrichtung nun aus einem anderen Winkel dargestellt ist.
    • 4 zeigt die Vorrichtung im Querschnitt.
    • 5 zeigt einen beispielhaften, nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch die Sensorschicht 5.
    • 6 zeigt eine typische Nutzungssituation, wobei der Sensorkopf 21 vorzugsweise auf der Oberfläche 34 des jeweiligen Messobjekts mit der Unterseite 24 des Gehäuses 8 aufgesetzt ist.
    • 7 zeigt das System der 4 vereinfacht mit den Ansteuer- und Auswertevorrichtungen als Blockdiagramm.
    • 8 zeigt eine Zeichnung auf Basis eines beispielhaften Fotos eines beispielhaften, bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags erstellten Sensorkopfes 23 mit abgenommenen Deckel.
    • 9a zeigt eine Zeichnung auf Basis eines beispielhaften Fotos eines beispielhaften, bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags erstellten Sensorkopfes 23 mit abgenommenen Deckel.
    • 9b entspricht im Wesentlichen der 9a und zeigt den gleichen Sensorkopf 21 aus einer etwas anderen Perspektive.
    • 10 zeigt eine Zeichnung des Prototypen mit aufgesetztem Deckel.
    • 11 zeigt das Aufsetzen von vier Permanentmagneten 37 auf einer Glasplatte 38 auf die Unterseite 24 des Sensorkopfes 21.
    • 12 zeigt oben das musterkodierte Magnetflussdichtenbetragsbild 39 der Verteilung der magnetischen Flussdichte von vier Permanentmagneten 37 auf einer Glasplatte 38 in willkürlichen Einheiten und unten den eindimensionalen Verlauf der Fluoreszenzintensität längs einer Linie durch die Gruppierung der Permanentmagneten 37 hindurch.
    • 13 zeigt eine Darstellung für vier magnetisierte Ringe. Die 13 zeigt unten links die entsprechende Anordnung als eine Zeichnung basierend auf einem Foto.
    • 14 entspricht der 11, wobei nun eine magnetisierbare ferromagnetische flächige Figur verwendet wurde.
    • 15 entspricht der 12, wobei nun eine magnetisierbare ferromagnetische flächige Figur verwendet wurde.
    • 16 zeigt eine Darstellung für einen inhomogen magnetisierten Ring.
    • 17 zeigt den Sensorkopf mit angebrachten Hilfsmagneten 19.
    • 18 zeigt die Detektion und Darstellung von Bohrungen in einem ferromagnetischen Material 17 mit einer Vorrichtung der 18, 6 und 7.
    • Die 19 zeigt einen beispielhaften, alternativen Sensorkopf 21 einer bespielhaften, alternativen Magnetfeldkamera.
    • 20 zeigt schematisch und vereinfacht einen Querschnitt durch den Sensorkopf 21 der 19.
    • 21 entspricht im Wesentlichen der 20 und zeigt den gleichen Sensorkopf 21 wie die Vorrichtung der 20 und der 19 aus einer anderen Perspektive.
    • 22 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 21, als dass die 22 nun einen Querschnitt durch den Sensorkopf 21 der 19 bis 21 quer zum ersten Kühlkörper 50 zeigt.
    • 23 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 22, als dass die 23 eine Seitenansicht ohne Schnitt aus einer anderen Perspektive.
    • 24 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 23, als dass die 24 eine Seitenansicht mit horizontalem Schnitt aus einer Perspektive von unten mit Blick auf die Sensorschicht 5 auf der Unterseite 24 des Sensorkopfes 21 der 19 bis 23.
    • 25 entspricht der 24 mit dem Unterschied, dass der in der 24 dargestellt angeschnittene Teil des Sensorkopfes 21 nun mit der Schnittfläche nach oben statt nach unten dargestellt ist.
    • 26 zeigt den ersten Kühlkörper 50 vor dem Einsetzen in das Gehäuse 8.
    • 27 zeigt einen beispielhaften zweiter Kühlkörper 49 zur Kühlung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44 vor dessen Einbau in einen Sensorkopf entsprechend den 19 bis 26.
    • 28 zeigt den unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bi 27 mit dem Schaltungsträger (PCB) 43 vor dem Einbau in das Gehäuse 8.
    • 29 zeigt die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bi 28 mit den Vorwiderständen 59 der LEDs 44.
    • 30 zeigt die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bi 29 mit den LEDs 44 und dabei die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 der vorausgehenden 29.
    • 31 zeigt die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 des Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bis 30.
    • 32 zeigt die einen Schnitt durch einen Sensorkopf 21 entsprechend den 19 bis 31, wobei 32 dabei weitestgehend der 22 entspricht und wobei nun jedoch nur die Schnittfläche dargestellt ist und wobei nun der Schnitt durch die LEDs 44 geführt ist.
    • 33 zeigt die einen Schnitt durch einen Sensorkopfe 21 entsprechend den 19 bis 32, wobei 33 dabei weitestgehend der 32 entspricht und wobei nun der Schnitt NICHT durch die LEDs 44 geführt ist.
    • 34 entspricht dabei weitestgehend der 23, wobei nun der Sensorkopf 21 der 34 zusätzlich gegenüber dem Sensorkopf 21 der 23 den zweiten Kühlkörper 49 aufweist.
    • 35 zeigt die Fluoreszenzkamera eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bis 34 in Verbindung mit dem ersten Kühlkörper 50 als Schnittbild.
    • 36 zeigt wie die 35 die Fluoreszenzkamera eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bis 35 in Verbindung mit dem ersten Kühlkörper 50 nun jedoch nicht als Schnittbild.
    • 37 zeigt das Funktionsprinzip der Sensorschicht 5, wie sie in den Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes der 19 bis 36 in den 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29,30, 31, 32 und 33 Verwendung findet.
    • 38 zeigt schematisch vereinfacht das Funktionsprinzip der Sensorschicht 5, wie sie in den Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes der 19 bis 36 in den 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29,30, 31, 32 und 33 Verwendung finden kann.
    • 39 zeigt das System der 7 mit einem Sensorkopf der 19 bis 38.
    • 40 entspricht weitestgehend der 37, die das Funktionsprinzip der Sensorschicht 5 zeigt, wie sie in den Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes der 19 bis 36 in den 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29,30, 31, 32 und 33 Verwendung findet. Die 40 unterscheidet sich von der 37 durch eine Diffusorschicht 69.
  • Beschreibung der Figuren
  • Die Figuren erläutern den Vorschlag schematisch und vereinfacht. Die Offenlegung der hier vorgelegten Schrift ist nicht auf die Figuren begrenzt und umfasst auch andere Kombinationen.
  • Figur 1
  • 1 zeigt die vorschlagemäße Vorrichtung in Form des vorschlagsgemäßen Sensorkopfes 21 aus einer ersten Ansicht. Eine Lichtquelle 2 (Laser, LED) des vorschlagsgemäßen Sensorkopfes 21 bestrahlt die Sensorschicht 5 des vorschlagsgemäßen Sensorkopfes 21 mit Pumpstrahlung 13 einer Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugt Kristalle mit paramagnetischen Zentren. Bevorzugt umfassen die Kristalle 66 der Sensorschicht 5 Diamanten.
  • Bevorzugt umfassen die Kristalle 66 der Sensorschicht 5 Nanokristalle 66. Bevorzugt handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren in der Sensorschicht 5 um NV-Zentren in Diamantkristallen. Bevorzugt umfasst das Trägermaterial der Sensorschicht 5 die Kristalle und/oder Nanokristalle 66. Diese Sensorschicht 5 ist bevorzugt auf einer ebenen Fläche im Innern des Gehäuses 8 der des vorschlagsgemäßen Sensorkopfes 21 aufgebracht. Die Sensorschicht 5 umfasst somit paramagnetische Zentren. Da die Kristalle 66 sehr klein als Nanokristalle 66 ausgeführt sein können, kann die Dicke 25 der Sensorschicht 5 sehr dünn ausgeführt sein und die Sensorschicht 5 sehr dicht mit Kristallen 66 mit paramagnetischen Zentren angefüllt sein. Bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp emittieren die paramagnetischen Zentren der Sensorschicht 5 Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer Fluoreszenzwellenlänge λfl. Eine beispielhafte Größe der Sensorschicht 5 kann beispielsweise 32mm × 22mm betragen. Andere Dimensionen sind möglich. Bei einer Nacharbeit sollten die Personen, die die Nacharbeit durchführen die Dimensionen der Sensorschicht 5 entsprechend der jeweiligen konkret vorgesehenen Anwendung wählen. Ein Lichtsensorarray 1 mit n × m Lichtsensoren und mit einer Auswerteelektronik des Lichtsensorarrays 1 erfasst diese Fluoreszenzstrahlung 14.Die erfolgreiche Erprobung der hier vorgestellten Vorrichtung mit dem hier vorgestellten Sensorkopf 21 umfasste ein Lichtsensorarray 1 mit n × m Lichtsensoren mit n=900 und m= 600. Bevorzugt umfasst die Auswertelektronik 15 des Lichtsensorarrays 1, die Ansteuerung des Lichtsensorarrays 1 und der der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, die Energieversorgung der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, und eine Schnittstellenschaltung 36 zur Weitergabe der Werte der Werte der Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, an ein übergeordnetes System, beispielsweise ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 mit einem Bildschirm 32 über einen Datenbus 29 oder dergleichen. Bevorzugt befindet sich der Strahlengang der Pumpstrahlung 13 und der Fluoreszenzstrahlung 14 innerhalb eines Gehäuses 8. Das hier vorgelegte Dokument nennt die Oberfläche der Sensorschicht 5, die dem Lichtsensorarray 1 zugewandt ist, im Folgenden Oberseite der 23 Sensorschicht 5. Das hier vorgelegte Dokument nennt die gegenüberliegende Oberfläche der Sensorschicht 5, die dem Lichtsensorarray 1 nicht zugewandt ist, im Folgenden Unterseite 22 der Sensorschicht 5.
  • Die Oberseite 23 der Sensorschicht 5 befindet sich vorzugsweise innerhalb des Gehäuses 8.
  • Die Unterseite 22 der Sensorschicht 5 befindet sich vorzugsweise außerhalb des Gehäuses 8. an dessen Oberfläche. Vorzugsweise bedeckt ein Lichtschutz die Unterseite 22 der Sensorschicht 5. Dies verhindert, dass Licht in das Gehäuse 8 eindringt und zum Lichtsensorarrays 1 gelangt. Die Sensorschicht 5 ist bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Pumpstrahlung 13, der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Sensorschicht 5 ist bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Fluoreszenzstrahlung 14, der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl. Beispielsweise kann der Lichtschutz ein Lack auf der Unterseite 22 der Sensorschicht 5 oder ein besonders dünner, lichtundurchlässiger Teil der Gehäusewand des Gehäuses 8 sein. Bevorzugt beeinflusst eine solche dünne Gehäusewand des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 das magnetische Feld, also beispielsweise die magnetische Flussdichte B nicht.
  • Bevorzugt umfasst das Lichtsensorarray 1 n × m Lichtsensoren, die vorzugsweise in einer Fläche angeordnet sind. Hierbei sind n und m positive ganze Zahlen.
  • Zur besseren Übersicht ist der Deckel, der den Innenraum des Gehäuses 8 abdeckt in der 1 nicht dargestellt.
  • Figur 2
  • 2 zeigt die Vorrichtung mit aufgesetztem Deckel zum lichtdichten Verschluss des Gehäuses 8.
  • Figur 3
  • 3 entspricht der 1, wobei die beispielhafte Vorrichtung nun aus einem anderen Winkel dargestellt ist.
  • Figur 4
  • 4 zeigt die Vorrichtung im Querschnitt. Die Lichtquelle 2 (Laser, LED) emittiert die Pumpstrahlung 13 mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und ggf. auch elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlängenbereiche 27. Optische Funktionselemente einer Beleuchtungsoptik 3, wie beispielsweise ein oder mehrere Parabolspiegel. lenken möglichst viel Pumpstrahlung 13 mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp in Richtung Sensorschicht 5. Ein optischer Shortpass-Filter 4 transmittiert vorzugsweise die Pumpstrahlung 13 mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und vorzugsweise nicht die elektromagnetische Strahlung der besagten anderen Wellenlängenbereiche. Hierdurch bestrahlt die Lichtquelle 2 im Wesentlichen die Sensorschicht 5 ausschließlich mit Pumpstrahlung 13 einer Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugt Kristalle und/oder Nanokristalle 66 mit paramagnetischen Zentren. Optische Funktionselemente und/oder Filterfolien etc. der Beleuchtungsoptik 3 im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 2 und der Sensorschicht 5 homogenisieren bevorzugt die Intensitätsverteilung der Pumpstrahlung 13 mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp auf der Sensorschicht 5. Bei einer Sensorschicht 5 mit einer homogenen Verteilung der paramagnetischen Zentren über die Fläche der Sensorschicht 5 homogenisiert dies die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren der Kristalle und/oder Nanokristalle 66 der Sensorschicht 5 in einem homogenen Magnetfeld B. Bevorzugt umfassen die Kristalle und/oder Nanokristalle 66 der Sensorschicht 5 Diamanten. Bevorzugt umfassen die Kristalle 66 der Sensorschicht 5 Nanokristalle 66. Bevorzugt handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren um NV-Zentren in Diamantkristallen der Sensorschicht 5. Bevorzugt umfasst das Trägermaterial der Sensorschicht 5 diese Kristalle und/oder Nanokristalle 66. Diese Sensorschicht 5 ist bevorzugt auf einer ebenen Fläche 15 aufgebracht. Die Sensorschicht 5 umfasst somit diese paramagnetische Zentren. Da die Kristalle 66 sehr klein als Nanokristalle 66 ausgeführt sein können, kann die Sensorschicht 5 sehr dünn ausgeführt sein und sehr dicht mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 angefüllt sein. Da die vorzugsweise ebene Fläche 16 vorzugsweise als sehr dünne Gehäusewand des Gehäuses 8 ausgeführt ist, ist der Abstand zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 sehr klein. Vorzugsweise ist der ist der Abstand 26 zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 kleiner als 1mm, besser kleiner als 500µm, besser kleiner als 200µm, besser kleiner als 100µm, besser kleiner als 50µm, besser kleiner als 20µm, besser kleiner als 10µm, besser kleiner als 5µm, besser kleiner als 2µm, besser kleiner als 1µm. Vorzugsweise ist die Dicke 25 der Sensorschicht 5 kleiner als 1mm, besser kleiner als 500µm, besser kleiner als 200µm, besser kleiner als 100µm, besser kleiner als 50µm, besser kleiner als 20µm, besser kleiner als 10µm, besser kleiner als 5µm, besser kleiner als 2µm, besser kleiner als 1µm. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Dicke 25 der Sensorschicht 5 geteilt durch den Abstand 26 zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 kleiner als 1, besser kleiner als 0,5, besser kleiner als 0,2, besser kleiner als 0,1, besser kleiner als 0,05, besser kleiner als 0,02, besser kleiner als 0,01. Die Untergrenze des Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Dicke 25 der Sensorschicht 5 geteilt durch den Abstand 26 zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 bestimmen sie Anforderung der jeweiligen Anwendung. Ein niedriges Verhältnis führt letztlich zu einer verschlechterten Auflösung, sodass nicht immer ein niedrigeres Verhältnis einen Vorteil bietet. Je nach Material der Gehäusewand des Gehäuses im Bereich der Sensorschicht 5 und je nach den Anforderungen kann dieser Abstand zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 nach unten hin durch Anforderungen der mechanischen Stabilität, der Lebensdauer etc. begrenzt sein. Größere Abstände zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 verringern die Auflösung der Sensormessvorrichtung. Bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp durch die Lichtquelle 2 emittieren die paramagnetischen Zentren der Sensorschicht 5 Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer Fluoreszenzwellenlänge λfl. Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer Fluoreszenzwellenlänge λfl hängt dabei von der magnetischen Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums in der Sensorschicht 5 ab. Eine abbildende Optik 7 erfasst die Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl und bildet die Intensitätsverteilung der Emissionsintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl auf die vorzugsweise in einer Ebene angeordneten n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 als Fluoreszenzbild der Emissionsintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl ab. Das Lichtsensorarray 1 mit der Auswerteelektronik 15 erfasst dieses Fluoreszenzbild der Emissionsintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl als n × m Matrix von Messwerten der n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1. Der bei der Erprobung des Vorschlage benutzte Sensorkopf 21 erreichte eine effektive Auflösung von 33µm × 3µm. Die theoretisch erzielbare Auflösung liegt typischerweise im Bereich der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl der Fluoreszenzstrahlung 14. Das hier vorgelegte Dokument offenbart somit eine technische Lehre für einen Sensorkopf 21 zur ortsaufgelösten und bildgebenden Erfassung der Verteilung der Stärke der magnetischen Flussdichte B mit einer Auflösung von besser kleiner als 100µm × 100µm, bzw. besser kleiner als 50µm × 50µm, bzw. besser kleiner als 20µm × 20µm, bzw. besser kleiner als 10µm × 10µm, bzw. besser kleiner als 5µm × 5µm, bzw. besser kleiner als 2µm × 2µm, bzw. besser kleiner als 1µm × 1µm. Für diese hohen Auflösungen sollten die Kristalle und/oder Nanokristalle 66 mit den paramagnetischen Zentren in der Sensorschicht 5 um einen Faktor größer 2, besser um einen Faktor größer 5, um einen Faktor größer 10, besser um einen Faktor größer 20, besser um einen Faktor größer 50, um einen Faktor größer 100 kleiner als die effektive Länge der Außenkannte der effektiven Größe eines Pixels der Auflösung, wie zuvor angegeben, sein. Für diese hohen Auflösungen sollte die Dicke 25 der Sensorschicht 5 um einen Faktor größer 2, besser um einen Faktor größer 5, um einen Faktor größer 10, besser um einen Faktor größer 20, besser um einen Faktor größer 50, um einen Faktor größer 100 kleiner als die effektive Länge der Außenkannte der effektiven Größe eines Pixels der Auflösung, wie zuvor angegeben, sein. Die Aufbereitungsschaltung für die n × m Ausgangssignale 31 der n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 bereitet die typischerweise analogen Signale der n × m Ausgangssignale 31 der n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 auf und digitalisiert diese vorzugsweise. Diese Aufbereitung umfasst bevorzugt eine Verstärkung und / oder Filterung. Vorzugsweise multipliziert ein Rechnersystem der Auswerteelektronik 15, das vorzugsweise Teil der Aufbereitungsschaltung ist, oder eines nachfolgenden Rechnersystems 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 die n × m Messwerte mit n × m Kalibrationswerten einer n × m Kalibrationsmatrix. Dies dient dazu, ggf. doch noch vorhandene Inhomogenitäten der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 bei homogenem Magnetfeld B zu eliminieren. Vorzugsweise gibt das Rechnersystem der Aufbereitungsschaltung der Auswerteelektronik 15 über eine Schnittstellenschaltung die so korrigierten Werte der Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, an ein übergeordnetes System, beispielsweise ein übergeordnetes Rechnersystem mit einem Bildschirm über einen Datenbus oder dergleichen weiter. Bevorzugt befindet sich der Strahlengang der Pumpstrahlung 13 und der Fluoreszenzstrahlung 14 von der Lichtquelle 2 bis zum Lichtsensorarray 1 innerhalb eines vorzugsweise lichtdichten Gehäuses 8. Vorzugsweise befindet sich in dem optischen Pfad zwischen Sensorschicht 5 und Lichtsensorarrays 1 der optische Longpass-Filter 6. Vorzugsweise befindet sich der optische Longpass-Filter 6 möglichst nahe der Oberfläche oder auf der Oberfläche des Lichtsensorarrays 1. Der optische der optische Longpass-Filter 6 stellt bevorzugt sicher, dass im Wesentlichen nur elektromagnetische Strahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl, also im Wesentlichen nur Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl die Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erreicht.
  • Die Oberseite 23 der Sensorschicht 5 befindet sich vorzugsweise innerhalb des Gehäuses 8.
  • Die Unterseite 22 der Sensorschicht 5 befindet sich vorzugsweise außerhalb des Gehäuses 8. an dessen Oberfläche. Vorzugsweise bedeckt ein Lichtschutz die Unterseite 22 der Sensorschicht 5. Dies verhindert, dass Licht in das Gehäuse 8 eindringt und zum Lichtsensorarrays 1 gelangt. Die Sensorschicht 5 ist bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Sensorschicht 5 ist bevorzugt transparent für elektromagnetische Strahlung der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl. Beispielsweise kann der Lichtschutz ein Lack auf der Unterseite 22 der Sensorschicht 5 oder ein besonders dünner, lichtundurchlässiger Teil 16 der Gehäusewand des Gehäuses 8 sein. Bevorzugt beeinflusst eine solche dünne Gehäusewand 16 des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 das magnetische Feld, also beispielsweise die magnetische Flussdichte B, nicht.
  • Bevorzugt umfasst das Lichtsensorarray 1 n × m Lichtsensoren, die vorzugsweise in einer Fläche angeordnet sind. Hierbei sind n und m positive ganze Zahlen.
  • Figur 5
  • 5 zeigt einen beispielhaften, nicht maßstabsgerechten Querschnitt durch die Sensorschicht 5.
  • Auf ein Trägermaterial 9 ist eine Verspiegelung 10 aufgebracht. Das Trägermaterial 9 befindet sich in Richtung der Unterseite 22 der Sensorschicht 5. Die Verspiegelung 10 befindet sich bezogen auf das Trägermaterial 9 in Richtung der Oberseite 23 der Sensorschicht 5. Die Verspiegelung 10 ist bevorzugt undurchlässig für elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Verspiegelung 10 reflektiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp wieder zurück in den Innenraum des Gehäuses 8. Dies hat den Vorteil, dass die Pumpstrahlung 13 mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp die Schicht mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren 11 zweimal durchläuft. Dies verdoppelt die Pumpleistung und damit die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14, die n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erreicht.
  • Die Verspiegelung 10 reflektiert bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl wieder zurück in den Innenraum des Gehäuses 8. Dies hat den Vorteil, dass die Fluoreszenzstrahlung 14 mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl, die die paramagnetischen Zentren der Schicht mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren 11 in Richtung Unterseite 22 der Sensorschicht 5 emittieren, zurück in Richtung Oberfläche der Oberseite 23 der Sensorschicht 5 reflektieren. Dies verdoppelt nochmals die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14, die n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erreicht.
  • Auf der Verspiegelung 10 in Richtung Oberseite 23 der Sensorschicht 5 befindet sich vorschlagsgemäß die Schicht mit Kristallen und/oder mit Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren 11.
  • Eine weitere Trägermaterialschicht 12 deckt vorzugsweise die die Schicht mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren 11 ab. Vorzugsweise ist das Material der Trägermaterialschicht 12 transparent für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Pumpstrahlung 13, mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Vorzugsweise ist das Material der Trägermaterialschicht 12 transparent für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl.
  • Die Sensorschicht 5 kann optische Funktionselemente wie Lichtwellenleiter und/oder Filter und/oder photonische Kristalle und/oder digitale Optiken umfassen. Die digitalen Optiken können in die Oberfläche der Sensorschicht 5 eingeprägt oder sonst wie eingearbeitet sein.
  • Die Sensorschicht 5 kann optische Funktionselemente wie Lichtwellenleiter und/oder Filter umfassen.
  • Figur 6
  • 6 zeigt eine typische Nutzungssituation. Der Sensorkopf 21 ist vorzugsweise auf der Oberfläche 34 des jeweiligen Messobjekts mit der Unterseite 24 des Gehäuses 8 aufgesetzt. In 6 ist die auf der Oberfläche 34 des jeweiligen Messobjekts die Oberfläche des beispielhaften ferromagnetischen Materials 17. Das beispielhafte ferromagnetische Material 17 der 6 weist beispielhafte Inhomogenitäten in Form von beispielhaften Fehlern 18 in dem beispielhaften ferromagnetischen Material 17 der 6 auf. Zwei Hilfsmagnete 19 stellen eine magnetische Erregung des magnetischen Prüfkreises bereit. Der beispielhafte magnetische Prüfkreis umfasst hier die beiden Hilfsmagnete 19, das Material des Messobjekts in Form des beispielhaften ferromagnetischen Materials 17 und den Luftraum um diese Objekte herum. Die beispielhaften Fehler 18 in dem beispielhaften ferromagnetischen Material 17 der 6 verzerren das magnetische Feld im Bereich dieser Fehler 18. Bei den Fehlern kann es sich beispielsweise um Risse, Bohrungen, Nuten, Lunker, Höhlungen, Materialzusammensetzungsfluktuationen und andere Strukturen handeln deren magnetische Materialparameter zu einer Veränderung der Struktur der magnetischen Flusslinien des magnetischen Flusses B in diesem Bereich dieser Fehler 18 führen.
  • Die Fehler 18 führen zu einer Veränderung der Verteilung und Stärke des magnetischen Flusses B, der aus dem Material des Messobjekts in Form des beispielhaften ferromagnetischen Materials 17 in den Luftraum um diese Objekte herum austritt. Damit verändert sich die Verteilung und Richtung der magnetischen Flussdichte B bei der Durchdringung der Sensorschicht 5. Dies wiederum verändert die Intensitätsverteilung der Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren der Sensorschicht 5 in der Sensorschicht 5. Damit ändert sich das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5, das die Fluoreszenzkamera mittels der abbildenden Optik 7 und den n × m Lichtsensoren des Lichtsensorarray 1 aufnimmt. Das Lichtsensorarray 1 erfasst das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 und übermittelt dieses Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 an ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Bevorzugt führt das ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ein Bildverarbeitungsprogramm aus. Vorzugsweise ermittelt das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 eine Abweichung zwischen dem Fluoreszenzbild des fehlerhaften Messobjekts und dem Fluoreszenzbild eines fehlerfreien Messobjekts oder einem berechneten oder sonst wie erzeugten Referenzfluoreszenzbild. Beispielsweise kann das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ein KI-Programm zur Klassifizierung der Abweichungen und/oder der Fehler und/oder zur Bewertung der Abweichungen und/oder der Fehler ausführen. Beispielsweise kann das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ein neuronales Netzwerkmodell zur Klassifizierung der Abweichungen und/oder der Fehler und/oder zur Bewertung der Abweichungen und/oder der Fehler ausführen. Beispielsweise kann das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ein KI-Programm zur Klassifizierung und/oder Bewertung eines oder mehrerer Fluoreszenzbilder ausführen. Beispielsweise kann das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ein neuronales Netzwerkmodell zur Klassifizierung und/oder zur Bewertung eines oder mehrerer Fluoreszenzbilder ausführen.
  • Um ein vollständiges Bild des Zustands der Oberfläche 34 des Materials des Messobjekts, hier in Form des beispielhaften ferromagnetischen Materials 17, zu erhalten bewegt die messende Person und/oder eine mechanische Positioniervorrichtung den Messkopf 21 vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit 20 über die Oberfläche 34 des Materials des Messobjekts, hier in Form des beispielhaften ferromagnetischen Materials 17.
  • Vorzugsweise sind die Hilfsmagneten 19 dabei fest mit dem Sensorkopf 21 verbunden und/oder ein Teil desselben. die Hilfsmagnete 19 erzeugen die notwendige magnetische Erregung H des magnetischen Kreises, dessen Teil die Sensorschicht 5 vorzugsweise ist.
  • Die Hilfsmagnete 19 umfassen bevorzugt Permanentmagnete. Die Hilfsmagnete 19 können Elektromagnete sein oder umfassen. sofern die Hilfsmagnete 19 Elektromagnete umfassen kann können die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 und/oder eine andere Steuervorrichtung und/oder ein anderes Rechnersystem mittels einer Ansteuervorrichtung für die Elektromagnete der Hilfsmagnete 19 beispielsweise die Amplitude der magnetischen Erregung H der Hilfsmagnete 19 mit einem Code und/oder einer Frequenz modulieren.
  • Bei dem Code kann es sich beispielsweise um einen Spreiz-Kode handeln. Beispielsweise kann ein Pseudozufallszahlengenerator PRNG der Ansteuervorrichtung 39 für die Elektromagnete der Hilfsmagnete 19 den Spreizkode in Form eines Spreizkodesignals erzeugen. Bevorzugt weist das Spreizkodesignal die Taktfrequenz des Pseudozufallszahlengenerator PRNG auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Pseudozufallszahlengenerator PRNG um ein mit einem einfach primitiven Polynom rückgekoppeltes Schieberegister handeln. Typischerweise modulieren die Hilfsmagnete die von ihnen erzeugte magnetische Feldstärke H dann zumindest zu einem Teil mit der jeweiligen Amplitude des Spreizkodesignals der Ansteuervorrichtung 39 für die Elektromagnete der Hilfsmagnete 19. Der Einfachheit halber sprechen wir auch bei einem monofrequenten Spreizkode in Form einer einzigen Modulationsfrequenz von einem Spreizkodesignal. Bevorzugt weist das Spreizkodesignal eine untere Grenzfrequenz ωu und eine obere Grenzfrequenz ωo auf. Bevorzugt hat das Spreizcodesignal unterhalb der unteren Grenzfrequenz ωu im Wesentlichen eine Amplitude von 0. Bevorzugt hat das Spreizcodesignal oberhalb der oberen Grenzfrequenz ωo im Wesentlichen eine Amplitude von 0.
  • Bevorzugt weist das Trägersignal des Spreizkodesignals eine Trägerfrequenz auf, die typischerweise gleich der Frequenz der Schiebefrequenz des typischerweise linear rückgekoppelten Schieberegisters des Pseudozufallszahlengenerators PRNG ist. Im Falle eines monofrequenten Spreizkodes entspricht die Trägerfrequenz dieser Frequenz des Spreizkodes. Vorzugsweise ist die Trägerfrequenz gleich der Frame-Rate (Bildwiederholrate) mit der die Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 der Fluoreszenzkamera das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 erfassen. Bei dem Sensorkopf 21 der hier dargestellten Beispiele lag diese Frame-Rate bei bis zu 160 Frames pro Sekunde. Die Framerate der Magnetfeldkamera ist dabei im Sinne des hier vorgelegten Dokuments die Rate der erzeugten und übertragenen Fluoreszenzbilder der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 pro Sekunde. Bevorzugt schwankt das Spreizkodesignal beispielsweise zwischen den Werten 0 und 1.
  • Da dann die magnetische Feldstärke H mit dem Spreizcodesignalmoduliert ist, ist dann auch die magnetische Flussdichte B, die die Sensorschicht 5 durchdringt, mit dem Spreizcodesignal moduliert. Daher ist auch die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit dem Spreizcodesignal moduliert. Bevorzugt erfassen die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 mehrere Fluoreszenzbilder der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 der Fluoreszenzkamera und multiplizieren die Amplituden der Pixelwerte der Messwerte der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 mit dem Inversen des Werts des Spreizkodesignals bzw. mit dem Inversen des Werts der Summe aus dem Wert des Spreizkodesignals plus einem Offset. Eine Division durch 0 ist ja nicht möglich.
  • Vorzugsweise werten die die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 mehrere Frames, also Fluoreszenzbilder, der Fluoreszenzkamera, als der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, in einer Auswertebildsequenz aus.
  • Zu Beginn der Auswertesequenz initialisieren die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 je Lichtsensor des Lichtsensorarrays 1 von eine jeweilige Pixelsumme für den Summenwert des betreffenden Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 auf einen vorgebbaren Initialwert. Typischerweise ist dieser Initialwert 0.
  • Vorzugsweise werten die die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 Pixelwerte eines Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 in Zeiten zu denen das Spreizkodesignal beispielsweise den Werten 0 annimmt negativ und ziehen den jeweiligen Pixelwert eines Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 daher in dem Fall von einer Pixelsumme für den Summenwert des betreffenden Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 ab.
  • Vorzugsweise werten die die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 Pixelwerte eines Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 in Zeiten zu denen das Spreizkodesignal beispielsweise den Werten 1 annimmt positiv und addieren den jeweiligen Pixelwert eines Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 daher in dem Fall daher zu einer Pixelsumme für den Summenwert des betreffenden Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 hinzu.
  • Nachdem die Auswertesequenz beendet ist und die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 die geplanten, mehreren Frames, also Fluoreszenzbilder, der Fluoreszenzkamera, also der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1, in der Auswertebildsequenz ausgewertet haben, erzeugen die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und/oder das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 aus den resultierenden jeweiligen Pixelsummen für die jeweiligen Summenwerte der jeweiligen Lichtsensors des Lichtsensorarrays 1 ein verbessertes Fluoreszenzbild.
  • Diese Vorgehensweise eliminiert ein Hintergrundrauschen und erhöht die Empfindlichkeit.
  • Figur 7
  • 7 zeigt das System der 4 vereinfacht mit den Ansteuer- und Auswertevorrichtungen als Blockdiagramm.
  • Die Lichtquelle 2 emittiert Pumpstrahlung 13 mit einer Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und unerwünschte elektromagnetische Strahlung 27 anderer Wellenlängenbereiche. Ein optischer Shortpass-Filter 4 lässt bevorzugt nur die Pumpstrahlung 13 passieren und hält bevorzugt die elektromagnetische Strahlung 27 anderer Wellenlängenbereiche zurück. Sofern die Lichtquelle 2 keine unerwünschte elektromagnetische Strahlung 27 anderer Wellenlängenbereiche emittiert, ist dieses optische Shortpass-Filter 4 nicht notwendig. Eine Beleuchtungsoptik 3 sorgt dafür, dass die Pumpstrahlung 13 die Sensorschicht 5 möglichst homogen ausleuchtet. Die Beleuchtungsoptik 3 kann ein oder mehrere optische Funktionselemente umfassen. Die Sensorschicht 5 ist vorzugsweise auf einem mechanischen Träger, beispielsweise einer ebenen Fläche 16, aufgebracht. Vorzugsweise ist die ebene Fläche 16 Teil der Gehäusewand des hier nicht gezeichneten Gehäuses 8. Das Material dieser ebenen Fläche 16 bzw. der Gehäusewand des Gehäuses 8 in diesem Bereich ist bevorzugt nicht magnetisch und beeinflusst bevorzugt das magnetische Feld im Wesentlichen nicht. Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugte eine Vielzahl zufällig und vorzugsweise gleichverteilt orientierte Kristalle und/oder Nanokristalle 66 mit paramagnetischen Zentren. Bei den paramagnetischen Zentren kann es sich bei der Verwendung von Diamant als Kristallmaterial beispielsweise um NV-Zentren und/oder SiV-Zentren und/oder TiV-Zentren und/oder GeV-Zentren und/oder SnV-Zentren und/oder NiN4-Zentren und/oder PbV-Zentren und/oder ST1-Zentren handeln. Die Pumpstrahlung 13 besitzt bei der Verwendung von NV-Zentren in Dimant als Kristalle und/oder Nanokristalle 66 der Sensorschicht 5 bevorzugt eine Pumpstrahlungswellenlänge λpmp in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm Wellenlänge und/oder besser 450 nm bis 650 nm und/oder besser 500 nm bis 550 nm und/oder besser 515 nm bis 540 nm aufweisen. Bevorzugt ist dabei eindeutig eine Wellenlänge von 532 nm als Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Im Falle der Verwendung von NV-Zentren in Diamant oder in Diamanten der Sensorschicht 5 ist eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B beispielsweise als Lichtquelle 2 mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge λpmp geeignet.
  • Bei der Verwendung von NV-Zentren in Diamantkristallen in der Sensorschicht 5 als paramagnetische Zentren der Sensorschicht 5 emittieren die NV-Zentren der Sensorschicht 5 typischerweise bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 der oben beschriebenen Pumpstrahlungswellenlänge λpmp eine Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer typischen Fluoreszenzwellenlänge λfl von ca. 637nm bei NV-Zentren. Eine abbildende Optik 7 erfasst bevorzugt das Fluoreszenzbild der ortsabhängigen Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl, das die Sensorschicht 5 mittels der paramagnetischen Zentren in der Sensorschicht 5 erzeugt. Ein optisches Longpass-Filter 6 lässt bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl und damit die Fluoreszenzstrahlung 14 passieren. Das optische Longpass-Filter 6 blockier bevorzugt die Passage elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und damit die Passage der Pumpstrahlung 13. Hierdurch kann die abbildende Optik 7 das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 im Wellenlängenbereich der Fluoreszenzwellenlänge λfl erfassen und auf die n × m Lichtsensoren des n × m Lichtsensorarrays 1 der Fluoreszenzkamera abbilden. Da die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der Sensorschicht 5 lokal in der Sensorschicht 5 von der magnetischen Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums in der Sensorschicht 5 abhängt, entspricht das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 einem Magnetflussdichtenbetragsbild des magnetischen Flussdichtefeldes, das die Sensorschicht 5 durchflutet. Da in der Regel die Dichteverteilung der paramagnetischen Zentren in der Sensorschicht 5 und/oder die Ausleuchtung der Sensorschicht 5 mit Pumpstrahlung 13 und/oder die Erfassung der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 über die Fläche der Sensorschicht 5 bei allem Bemühen nicht ganz homogen sind, hat es sich bewährt, durch Kalibrationsmessungen das System vor dem ersten Gebrauch zu kalibrieren. Zur Verarbeitung der Messwerte der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erfassen Auswertelektroniken 15 des Lichtsensorarrays 1 die Messwerte des Signale der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und bilden daraus insbesondere durch Verstärkung und/oder Filterung die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1. Die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 steuert bevorzugt mittels einer Ansteuervorrichtung 35 für die Elektromagnete der Hilfsmagnete 19 die Hilfsmagnete 19, wenn diese nicht nur Permanentmagnete umfassen. Die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erzeugt aus den die Ausgangssignalen 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 ein Fluoreszenzbild und/oder beispielsweise ggf. auch ein verbessertes Fluoreszenzbild, wie oben beschrieben. Aufgrund der zuvor dargestellten Zusammenhänge stellen das Fluoreszenzbild und/oder beispielsweise ggf. auch das verbesserte Fluoreszenzbild ein Magnetflussdichtenbetragsbild des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 bzw. ein verbessertes Magnetflussdichtenbetragsbild des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 dar. Die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 überträgt dieses Fluoreszenzbild bzw. das verbesserte Fluoreszenzbild vorzugsweise mittels der Schnittstellenschaltung 36 über einen Datenbus 29 an ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Bevorzugt erzeugt das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 aus diesem Fluoreszenzbild bzw. aus dem verbesserten Fluoreszenzbild eine ein- oder zwei- oder dreidimensionale Darstellung der Verteilung der magnetischen Flussdichte in der Sensorschicht 5 und stellt diese auf dem Bildschirm 32 dar. Der Datenbus 29 dient dabei der Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Das Messobjekt, hier beispielhaft ein ferromagnetisches Material 17 mit Fehlern 18 erzeugt die Variationen der magnetischen Flussdichte B in der Sensorschicht 5, die zu den besagten Magnetflussdichtenbetragsbildern des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 bzw. den verbesserten Magnetflussdichtenbetragsbildern des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 führen.
  • Figur 8
  • 8 zeigt eine Zeichnung auf Basis eines beispielhaften Fotos eines beispielhaften, bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags erstellten Sensorkopfes 23 mit abgenommenen Deckel. Die Zeichnung entspricht im Wesentlichen der 3. Zu erkennen ist die Zuleitung mit dem Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Außerdem sind die Lichtquelle 2 und die mit grüner Pumpstrahlung 13 bestrahlte Sensorschicht 5 zu erkennen.
  • Figur 9a
  • 9a zeigt eine Zeichnung auf Basis eines beispielhaften Fotos eines beispielhaften, bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags erstellten Sensorkopfes 23 mit abgenommenen Deckel. Die Zeichnung entspricht im Wesentlichen ebenfalls der 3. Zu erkennen sind die Lichtquelle 2, Unterseite 24 des Gehäuses 8, die abbildende Optik 7 in Form eines Kameraobjektivs und ein bisher nicht erwähnter Spiegel 3 zur Homogenisierung der Pumpstrahlungsintensität der Pumpstrahlung 13 auf der Sensorschicht 5. Der Sensorkopf 21 der 9a ist ein Beispiel für eine Beleuchtungsoptik 3, die mehrere optische Funktionselemente umfasst.
  • Figur 9b
  • 9b entspricht im Wesentlichen der 9a und zeigt den gleichen Sensorkopf 21 aus einer etwas anderen Perspektive. Das Lichtsensorarray 1 und das optische Longpass-Filter 6 sind in der grauen Ausstülpung untergebracht. Die Dicke der Gehäusewand des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5 und die Unterseite 24 des Gehäuses 8 sind gut zu erkennen. Die Zuleitung mit dem Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Außerdem sind die Lichtquelle 2 und die mit grüner Pumpstrahlung 13 bestrahlte Sensorschicht 5 zu erkennen. Der beispielhafte Sensorkopf 21 ist in der Lage, die örtliche Verteilung magnetischer Flussdichten mit Beträgen von 0mT bis ca. 50mT darzustellen.
  • Figur 10
  • 10 zeigt eine Zeichnung des Prototypen mit aufgesetztem Deckel. Der Innenraum des Gehäuses 8 des Sensorkopfes 21 ist dann lichtdicht verschlossen.
  • Figuren 11 und 12
  • 12 zeigt oben das musterkodierte Magnetflussdichtenbetragsbild 39 der Verteilung der magnetischen Flussdichte von vier Permanentmagneten 37 auf einer Glasplatte 38 in willkürlichen Einheiten. Das System der 7 erzeugte dieses zweidimensionale Falschfarben-Magnetflussdichtenbetragsbild 39 der Verteilung der magnetischen Flussdichte von vier Permanentmagneten 37 auf einer Glasplatte 38 durch Aufsetzen des Sensorkopfes 21 der vorhergehenden Seiten mit dessen Unterseite 24 auf die Permanentmagneten 37. (Siehe hierzu 11)
  • 12 zeigt unten den eindimensionalen Verlauf der Fluoreszenzintensität längs einer Linie durch die Gruppierung der Permanentmagneten 37 hindurch. Die Magnetfeldkamera kann Strukturen kleiner 500µm auflösen.
  • Bei diesen beiden Bildern handelt es sich um Zeichnungen basierend auf Screen-Shots der Darstellung auf dem Bildschirm 32.
  • Figur 13
  • 13 zeigt eine Darstellung für vier magnetisierte Ringe. Die 12 zeigt unten links die entsprechende Anordnung als eine Zeichnung basierend auf einem Foto.
  • Figuren 14 und 15
  • Die 14 entspricht der 11. Die 15 entspricht der 12. Bei der Erstellung der 15 wurde nun eine magnetisierbare ferromagnetische flächige Figur (siehe 13) verwendet. 15 zeigt oben das zweidimensionale musterkodierte Magnetflussdichtenbetragsbild 39 der Verteilung der magnetischen Flussdichte der magnetisierten Figur auf einer Glasplatte 38 in willkürlichen Einheiten. Das System der 7 erzeugte dieses musterkodierte Magnetflussdichtenbetragsbild 39 der Verteilung der magnetischen Flussdichte von vier Permanentmagneten 37 auf einer Glasplatte 38 durch Aufsetzen des Sensorkopfes 21 der vorhergehenden Seiten mit dessen Unterseite 24 auf die magnetisierte Figur der 14. 16 zeigt unten den eindimensionalen Verlauf der Fluoreszenzintensität längs einer Linie durch die magnetisierte Figur der 14 hindurch.
  • Bei diesen beiden Bildern handelt es sich um Zeichnungen basierend auf Screen-Shots der Darstellung auf dem Bildschirm 32.
  • Figur 16
  • 16 zeigt eine Darstellung für einen inhomogen magnetisierten Ring. Die 16 zeigt unten links die entsprechende Anordnung als Zeichnung basierend auf einem Foto.
  • Figur 17
  • 17 zeigt den Sensorkopf mit angebrachten Hilfsmagneten 19.
  • Figur 18
  • 18 zeigt die Detektion und Darstellung von Bohrungen in einem ferromagnetischen Material 17 mit einer Vorrichtung der 18, 6 und 7.
  • Bei einem der beiden Bilder handelt es sich um eine Zeichnung basierend auf einem Screen-Shot der Darstellung auf dem Bildschirm 32. Das andere Bild ist eine Zeichnung basierend auf einem Foto der Messituation.
  • Figur 19
  • Die 19 zeigt einen beispielhaften, alternativen Sensorkopf 21 einer bespielhaften, alternativen Magnetfeldkamera. Das Gehäuse 8 dieses beispielhafte, alternativen Sensorkopfs 21 der bespielhaften, alternativen Magnetfeldkamera umfasst beispielhaft einen oberen Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 und einen unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8. Beispielsweise kann es sich bei dem oberen Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 um einen oberen 3D-Druckgehäuseteil des beispielhaften 3D-Druckgehäuses 8 handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 um einen unteren 3D-Druckgehäuseteil des beispielhaften 3D-Druckgehäuses 8 handeln. Der untere Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 umfasst hier beispielhaft die Unterseite 24 des Gehäuses 8 mit der Sensorschicht 5, die bevorzugt die Schicht 11 mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren umfasst. Die Sensorschicht 5 ist vorzugsweise durch eine dünne Materialschicht des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 an der die Unterseite 24 des Gehäuses 8 abgedeckt und dadurch mechanisch geschützt. Das Material dieser dünne Materialschicht des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 an der die Unterseite 24 des Gehäuses 8 beeinflusst bevorzugt die magnetische Flussdichte in Betrag und Richtung, die die Sensorschicht 5 durchflutet, bevorzugt im Wesentlichen nicht. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass das Material dieser dünne Materialschicht des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 an der die Unterseite 24 des Gehäuses 8 die magnetische Flussdichte, die die Sensorschicht 5 durchflutet, beeinflusst, dass diese Beeinflussung für den jeweiligen technischen Zweck unerheblich ist und/oder dass diese Beeinflussung zur Beeinflussung eines Messwerts, der von der Fluoreszenzstrahlung 14 der der Schicht 11 abhängig ist, nur so wenig beeinflusst, dass dieser Messwert nur eine betragsmäßige Änderung erfährt, die betragsmäßig innerhalb eines vorgegebenen Toleranzintervalls liegt. Eine Energiezuleitung 55 ist mittels eines Anschlussstecker 56 für die Energiezuleitung 55 mit dem Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44 im unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 elektrisch verbunden. Die Energiezuleitung 55 dient der Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44.
  • Ein Datenbusleitung eines Datenbusses 29 dient der Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. (siehe auch 7)
  • Ein zweiter Kühlkörper 49 dient der Kühlung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44. Der zweite Kühlkörper 49 umfasst bevorzugt Kupfer oder ein anderes thermisch gut leitendes Material, das bevorzugt die magnetische Flussdichte, die die Schicht 11 der Sensorschicht 5 durchflutet, nicht oder schlechter im Wesentlichen nicht oder schlechter nur wenig beeinflusst, als Kühlkörpermaterial des zweiten Kühlkörpers 49. Die Ausarbeitung des Vorschlags ergab, dass es vorteilhaft ist, die Temperatur des Lichtsensorarrays 1 und/oder der Sensorschicht 5 niedrig zu halten, um den Signal-zu-Rausch-Abstand möglichst groß zu halten. Die LEDs 44 erzeugen trotz relativ gutem Wirkungsgrad im Betrieb eine größere Menge Abwärme, die der zweite Kühlkörper 49 zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses aus dem Gehäuse 8 abführt.
  • Aus dem gleichen Grund weist der hier beispielhaft vorgeschlagene Sensorkopf 21 einen ersten Kühlkörper 50 zur Kühlung der Auswertelektronik 15 des Lichtsensorarrays 1 und/oder des Lichtsensorarrays 1 auf. Der erste Kühlkörper 50 verbessert hierdurch das Signal-zu-Rauschverhältnis des Video-Signals der Lichtsensorarrays 1 in der Fluoreszenzkamera des Sensorkopfes 21.
  • Figur 20
  • 20 zeigt schematisch und vereinfacht einen Querschnitt durch den Sensorkopf 21 der 19.
  • Das Gehäuse 8 des Sensorkopfes 21 umfasst beispielhaft wieder, wie in der 19 einen oberen Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 und einen unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8.
  • Der untere Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 umfasst beispielhaft einen Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45.
  • Auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 sind hier beispielhaft LED-Vorwiderstände 59 montiert, beispielsweise aufgelötet oder aufgeklebt. Diese LED-Vorwiderstände 59 sind typischerweise LED-Vorwiderstände 59 der LEDs 44 auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 für die Strombegrenzung des Diodenstroms der LEDs 44 im Betrieb. Vorzugsweise deckt eine dünne Materialschicht des unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 die Sensorschicht 5 ab. und schützt diese. Zur besseren Übersicht ist diese möglichst dünne Materialschicht des unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 in der 20 nicht eingezeichnet. Die Lager dieser dünnen Materialschicht ist im Bereich der Sensorschicht 5 im Wesentlichen gleich der Unterseite 24 des Gehäuses 8.
  • Ein auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 montierter Kodierstecker 62 mit Jumper kann beispielsweise der Änderung analoger Betriebsparameter der elektronischen Schaltung auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 dienen. Beispielsweise ist es denkbar, dass es möglich ist, den elektrischen LED-Strom durch die LEDs 44 auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 mittels eines solchen Kodiersteckers 62 durch Positionieren des Jumpers einzustellen. Dabei sieht der Kodierstecker 62 typischerweise mehrere verschiendene mögliche Positionen des Jumpers auf dem Kodierstecker 62 vor, von denen jede dieser Positionen bevorzugt eine ganz bestimmte Bestromung der LEDs 44 mit einem elektrischen Strom mit einem ganz bestimmten Stromwert entspricht.
  • In dem Beispiel der 20 sind die LED-Vorwiderstände 59 auf der der Fluoreszenzkamera zugewandten Seite des Schaltungsträgers (PCB) 43 montiert. In dem Beispiel der 20 sind die LEDs 44 auf der der Fluoreszenzkamera abgewandten Seite des Schaltungsträgers (PCB) 43 montiert. Dies hat den Vorteil, dass kein oder nur wenig Streulicht von den LEDs 44 zu dem Lichtsensorarrays 1 in der Fluoreszenzkamera des Sensorkopfes 21 gelangen kann. Dies verbessert das Signal-zu-Rauschverhältnis des Messsignals des Sensorkopfes 21. Bevorzugt ist die Sensorschicht 5 mit dem Schaltungsträgers (PCB) 43 mechanisch beispielsweise durch einen Kleber 48 festverbunden.
  • Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, eine Glasplatte 46
  • Die Glasplatte dient hier in dem Beispiel der 20 als beispielhaftes optisches Funktionselement, dass die paramagnetischen Zentren der mit Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Bevorzugt bildet die Glasplatte 46 die ebene Fläche 16 des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 aus. Die Glasplatte 46 hat hier im Beispiel der 20 auch die Funktion des Trägermaterials II 12.
  • Der erste Kühlkörper 50 dient der Kühlung der Auswertelektronik 15 des Lichtsensorarrays 1 und/oder des Lichtsensorarrays 1. Der erste Kühlkörper 50 umfasst bevorzugt Kupfer und/oder ein anderes thermisch gut leitenden, bevorzugt im Wesentlichen nicht magnetisches Material als Kühlkörpermaterial des ersten Kühlkörpers 50. Bevorzugt ist der erste Kühlkörper 50 in einem möglichst guten thermischen Kontakt mit dem Kameragehäuse 54 der Fluoreszenzkamera mit dem Lichtsensorarray 1 mit dessen Auswertelektronik 15 und der abbildenden Optik 7.
  • Beispielsweise kann Wärmeleitpaste 53 und/oder ein Wärmeleitkleber 53 Kühlrippen 51 mit dem ersten Kühlkörper 50 thermisch und/oder mechanisch verbinden. Hierdurch kann der Kühlkörper 50 die Wärme der Auswertelektronik 15 des Lichtsensorarrays 1 der Fluoreszenzkamera an die Umgebungsluft abgegeben und die Temperatur des Lichtsensorarrays 1 senken. Dies verbessert das Signal-zu-Rausch-verhältnis des Datensignals des Lichtsensorarrays 1 über die Datenleitung 29.
  • Die Fluoreszenzkamera weist in dem Beispiel der 20 ein Kameragehäuse 54 der Fluoreszenzkamera mit dem Lichtsensorarray 1 auf. In dem Beispiel der 20 ist das Kameragehäuse 54 der Fluoreszenzkamera mit dem Lichtsensorarray 1 mit dessen Auswertelektronik 15 und der abbildenden Optik 7 in den oberen Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 eingesetzt oder eingeschraubt oder eingeklebt oder dergleichen. Im Gegensatz zu den Vorrichtungen der 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10 bestrahlen die Pumpstrahlungsquellen die Sensorschicht 5 nun nicht wie in den 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10 von oben, sondern von der Seite der Glasplatte 46. Die LEDs 44 strahlen in dem Beispiel der 20 von der Seite in die Glasplatte 46 die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp ein. Die Pumpstrahlung 13 tritt vorzugsweise über die ganze Fläche der Glasplatte 46 aus der Glasplatte wieder aus und bestrahlt dabei die Schicht 11 mit den Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit den paramagnetischen Zentren, also beispielsweise den NV-Zentren, an der Unterseite der Glasplatte 46 auf der dem Lichtsensorarray 1 abgewandten Seite der Glasplatte 46. Hierdurch regen die LEDs 44 die Kristalle und/oder Nanokristalle 66 mit den paramagnetischen Zentren, also beispielsweise den NV-Zentren, an der Unterseite der Glasplatte 46 auf der dem Lichtsensorarray 1 abgewandten Seite der Glasplatte 46 zur Emission von Fluoreszenzstrahlung 14 an. Eine bevorzugt vorhandene reflektierende Schicht 10 unterhalb der Schicht 11 mit den Kristallen und/oder mit den Nanokristallen 66 mit den paramagnetischen Zentren, also beispielsweise den NV-Zentren, an der Unterseite der Glasplatte 46 auf der dem Lichtsensorarray 1 abgewandten Seite der Glasplatte 46 reflektiert Pumpstrahlung 13 und Fluoreszenzstrahlung 14, die nach unten aus der Schicht 11 auf der dem Lichtsensorarray 1 abgewandten Seite der Glasplatte 46 austritt, wieder in die Schicht 11 zurück. Die zurückreflektierte Pumpstrahlung 13 verstärkt die Erzeugung der Fluoreszenzstrahlung 14 in der Schicht 11. Die zurückreflektierte Fluoreszenzstrahlung 14 gelangt, wie die direkt in Richtung des Lichtsensorarrays 1 emittierte Fluoreszenzstrahlung 14 zum Lichtsensorarray 1 und verbessert so das Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
  • Typischerweise ist die lokale Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 der Sensorschicht 5 an verschiedenen Positionen in der Schicht 11 von der Intensität der Pumpstrahlung 13 und dem Betrag der magnetischen Flussdichte B an diesen Positionen abhängig.
  • Es ergibt sich somit ein Intensitätsmuster der Emission der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 der Sensorschicht 5 an verschiedenen Positionen in der Schicht 11, das die flächenhaften Unterschiede der Beträge der Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 der Sensorschicht 5 an verschiedenen Positionen des Schicht 11 wiedergibt.
  • Die abbildende Optik 7 erfasst dieses Intensitätsmuster der Emission der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 der Sensorschicht 5 und bildet dieses Intensitätsmuster auf das Lichtsensorarray 1 ab.
  • Das Kameragehäuse 54 der Fluoreszenzkamera verbindet das Lichtsensorarray 1 in dem Beispiel der 20 mechanisch mit dessen Auswerteelektronik 15 und der abbildenden Optik 7 und mit dem oberer Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8.
  • Der Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ist in dem Beispiel der 20 zur Vereinfachung weggelassen. Eine fachkundige Person soll sich beim Lesen dieses Textes diesen Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 hinzudenken.
  • Die Energiezuleitung 55 zur Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44 ist in dem Beispiel der 20 zur Vereinfachung weggelassen. Eine fachkundige Person soll sich beim Lesen dieses Textes diese Energiezuleitung 55 zur Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44 hinzudenken.
  • Figur 21
  • 21 entspricht im Wesentlichen der 20 und zeigt den gleichen Sensorkopf 21 wie die Vorrichtung der 20 und der 19 aus einer anderen Perspektive. Das hier vorgelegte Dokument verweist daher hier auf die Beschreibungen der 19 und 20 und die Bezugszeichenliste. Die Energiezuleitung 55 zur Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44 ist in dem Beispiel der 21 angeschnitten und daher nur unvollständig dargestellt. Der Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ist in dem Beispiel der 21 zur Vereinfachung weggelassen. Eine fachkundige Person soll sich beim Lesen dieses Textes diesen Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 hinzudenken.
  • Figur 22
  • 22 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 21, als dass die 22 nun einen Querschnitt durch den Sensorkopf 21 der 19 bis 21 quer zum ersten Kühlkörper 50 zeigt. Das hier vorgelegte Dokument verweist daher hier auf die Beschreibungen der 19 bis 21 und die Bezugszeichenliste.
  • Figur 23
  • 23 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 22, als dass die 23 eine Seitenansicht ohne Schnitt aus einer anderen Perspektive. Das hier vorgelegte Dokument verweist daher hier auf die Beschreibungen der 19 bis 22 und die Bezugszeichenliste.
  • Der Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 ist in dem Beispiel der 23 zur Vereinfachung weggelassen. Eine fachkundige Person soll sich beim Lesen dieses Textes diesen Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 hinzudenken.
  • Figur 24
  • 24 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 23, als dass die 24 eine Seitenansicht mit horizontalem Schnitt aus einer Perspektive von unten mit Blick auf die Sensorschicht 5 auf der Unterseite 24 des Sensorkopfes 21 der 19 bis 23. Das hier vorgelegte Dokument verweist daher hier auf die Beschreibungen der 19 bis 23 und die Bezugszeichenliste.
  • Der oberer Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 und die Energiezuleitung 55 sind angeschnitten und daher nur teilweise dargestellt, ohne dass die Schnittflächen in der 24 sichtbar sind.
  • Figur 25
  • 25 entspricht der 24 mit dem Unterschied, dass der in der 24 dargestellt angeschnittene Teil des Sensorkopfes 21 nun mit der Schnittfläche nach oben statt nach unten dargestellt ist.
  • 25 entspricht insofern im Wesentlichen den 19 bis 25, als dass die 25 eine Seitenansicht mit horizontalem Schnitt und Blick von oben darstellt. Das hier vorgelegte Dokument verweist daher hier auf die Beschreibungen der 19 bis 24 und die Bezugszeichenliste.
  • Figur 26
  • 26 zeigt den ersten Kühlkörper 50 vor dem Einsetzen in das Gehäuse 8. In dem hier vorgestellten Beispiel der 9 bis 26 schlägt das hier vorgelegte Dokument vor, ein elastisches und thermisch leitendes Material 57 und/oder eine thermisch leitende Isolationsfolie 58 zwischen Kühlkörper 50 und Gehäuse 8 vorzusehen, die eine elektrische Isolierung sicherstellen und/oder das Auftreten mechanischer Spannungen bei Erwärmung infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten verringern.
  • Figur 27
  • 27 zeigt einen beispielhaften zweiter Kühlkörper 49 zur Kühlung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44 vor dessen Einbau in einen Sensorkopf entsprechend den 19 bis 26. Der zweite Kühlkörper 49 umfasst bevorzugt Kupfer als Kühlkörpermaterial des zweiten Kühlkörpers 49 oder ein anderes thermisch gut leitendes Kühlkörpermaterial.
  • Figur 28
  • 28 zeigt den unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bi 27 mit dem Schaltungsträger (PCB) 43 vor dem Einbau in das Gehäuse 8. Der Schaltungsträgers (PCB) 43 ist mit den LEDs 44 nach unten auf den unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 montiert. Die LEDs 44 sind daher nicht sichtbar. Die LED-Vorwiderstände 59 der LEDs 44 befinden sich auf der sichtbaren Oberseite auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44. Zur besseren Klarheit sei hier erwähnt, dass das Bezugszeichen 59 sich auf die Vorwiderstände 59 der LEDs 44 und nicht auf die Sensorschicht 5 bezieht. Die Sensorschicht 5 ist mit ihrer Glasplatte 46 an dem Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 befestigt. Der Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 weist eine Öffnung auf, sodass die Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 auf der Unterseite der Glasplatte 46 durch die Glasplatte 46 und die Öffnung in dem Schaltungsträger (PCB) 43 zum Lichtsensorarray 1 gelangen kann.
  • Mittels eines Jumpers am beispielhaften Kodierstecker 62 kann beispielhaft die Intensität der Pumpstrahlung 13 der LEDs 44 beispielsweise durch Selektion von Spannungsteilerausgangswerten oder dergleichen eingestellt werden.
  • Ein Anschlussstecker 56 für die Energiezuleitung 55 dient der Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44.
  • Typischerweise befinden sich auf der Oberseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 weitere elektronische Bauteile 60 beispielsweise für die Energieversorgung der LEDs 44. Beispielsweise kann sich ein Spannungsregler 61 als ein solches weiters Bauteil 60 auf der Oberseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 befinden.
  • In dem Beispiel der 28 dienen elastische und thermisch leitende Materialien 57 zwischen unterem Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 und oberen Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 dazu, das Auftreten mechanischer Spannungen bei Erwärmung infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten und/oder unterschiedlicher thermischer Belastungen zu verringern.
  • Figur 29
  • 29 zeigt die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bi 28 mit den Vorwiderständen 59 der LEDs 44. Der Schaltungsträger (PCB) 43 ist zu einem Einsatz in einem Sensorkopf 21 entsprechend den 19 bis 28 vorgesehen. Die Öffnung 65 in dem Schaltungsträger (PCB) 43 dient dazu, dass die Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren, also beispielsweise der NV-Zentren, in der Schicht 11 der Sensorschicht 5 auf der Unterseite der Glasplatte 46 durch die Glasplatte 46 und die Öffnung in dem Schaltungsträger (PCB) 43 zum Lichtsensorarray 1 gelangen kann. Mittels eines Kodiersteckers 62 kann in dem Beispiel der 29 der Nutzer die Helligkeit der LEDs 44 einstellen. Bevorzugt können die Nutzer mittels des Kodiersteckers 62 die Ausgangsspannung des Spannungsreglers 61 einstellen. Beforzugt versorgt der Spannungsregler 62 über die Vorwiderstände 59 der LEDs 44 die LEDs 44. Der Kodierstecker 62 dient somit bevorzugt zur Änderung analoger Betriebsparameter der elektronischen Schaltung auf dem Schaltungsträger (PCB) 43.
  • Figur 30
  • 30 zeigt die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bi 29 mit den LEDs 44. 30 zeigt dabei die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 der vorausgehenden 29. An dem Schaltungsträger (PCB) 43 ist mittels vier Klebepunkten mit Kleber 48 eine Glasplatte 46 befestigt. Diese Glasplatte 46 dient als beispielhaftes optisches Funktionselement. Die LEDs 44 strahlen die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp über die Kanten der Glasplatte 46 in das für elektromagnetische Strahlung, insbesondere Pumpstrahlung 13, der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp transparente Material der Glasplatte 46 ein. Typischerweise tritt ein Teil dieser Pumpstrahlung 13 in die Richtung aus jener Glasplattenoberfläche der Glasplatte 46 aus, die vom Lichtsensorarray 1 abgewandt ist, und bestrahlt dort die Sensorschicht 5, die die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren, beispielsweise NV-Zentren, umfasst, mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Dies regt die paramagnetischen Zentren in der Schicht 11 zur Emission einer magnetfeldabhängigen Fluoreszenzstrahlung 14 an, die das Lichtsensorarray 1 mittels der abbildenden Optik 7 ortsaufgelöst detektieren und als Bild erfassen kann.
  • Leider ist die Intensitätsverteilung der Intensität der an einem Punkt der Oberfläche der Glasplatte 46 aus dieser abgewandten Glasplattenoberfläche der Glasplatte 46 austretenden Pumpstrahlung 13 vom inversen quadratischen Abstand dieses Punkts der Oberfläche der Glasplatte 46 von der betreffenden LED 44 abhängig. Diese Abstandsabhängigkeit kann durch eine Diffuser-Struktur in einer Diffusor-Schicht 69 auf dieser abgewandten Glasplattenoberfläche der Glasplatte 46 ausgeglichen werden. Bevorzugt ist somit die Glasplatte 46 auf der Oberfläche, die vom Lichtsensorarray 1 abgewandt ist, mit einer Diffusor-Struktur in einer Diffusor-Schicht 69 versehen, die eine homogene Beleuchtung der Schicht 11 und damit der in der Schicht 11 enthaltenen paramagnetischen Zentren mit Pumpstrahlung 13 durch die LEDs 44 sicherstellt.
  • Bei diesem System aus einer Glasplatte 46, den LEDs 44, die von den Kanten der Glasplatte 46 Pumpstrahlung 13 in das Material der Glasplatte 46 einstrahlen, der Diffusor-Schicht 69 und der Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren handelt es sich letztlich um ein flaches Flächenbeleuchtungssystem, mit: a) einer flächigen Pumpstrahlungsquelle (44, 46) für Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp, die ein Substrat und mindestens einen auf dem Substrat (Glaswafer 46) ausgebildeten, im Wesentlichen nicht gepixelten, Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Bereich aufweist, der Pumpstrahlung 13 von mindestens einer Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der flächigen Pumpstrahlungsquelle aus in jede Richtung ausstrahlt (Nach unten zeigende Oberfläche der Glasplatte 46); und b) einer Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht - beispielsweise der Glasplatte 46 -, die auf der mindestens einen Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite(Kante der Glasplatte 46) über dem Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Bereich einer punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (beispielhafte LEDs 44) angeordnet ist, worin die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht - insbesondere die Glasplatte 46 - vorzugsweise Pumpstrahlung 13 aus einer Richtung weglenkt, die rechtwinklig zur Fläche der Pumpstrahlung 13 (Lichtausbreitungsebene der Pumpstrahlung 13 in der Glasplatte 46) ausstrahlenden Seite der flächigen oder punktförmigen Pumpstrahlungsquelle (46, 44) verläuft.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine strukturierte erste Oberfläche(Unterseite der Glasplatte 46) auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) benachbart angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine plane erste Oberfläche auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) rechtwinklig gegenüber angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine plane erste Oberfläche auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) gegenüber angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die strukturierte erste Oberfläche der Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht (Glasplatte 46) dreieckige Prismen oder eine auf die erste Oberfläche der Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht (Glasplatte 46) aufgebrachte Diffusor-Schicht 69 beispielsweise als Diffusor auf.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die strukturierte Oberfläche beispielsweise zylindrische Linsen oder andere optische und/oder mikrooptische Funktionselemente auf.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die strukturierte Oberfläche eine Vielzahl keilförmiger Strukturen auf, die eine lange Achse aufweisen, wobei die Achsen der keilförmigen Strukturen bevorzugt dann in einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet sind.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems umfasst eine flächige Pumpstrahlungsquelle OLEDs oder VCSELs als LEDs 44.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine plane erste Oberfläche auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) gegenüber angeordnet ist, wobei bevorzugt die flächigen Pumpstrahlungsquellen (LEDs 44) OLEDs oder VCSELs als LEDs 44 umfassen.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems umfasst das flächige Flächenbeleuchtungssystem in einer Diffusor-Schicht 69 einen Diffusor, der zwischen der Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht und der flächigen Pumpstrahlungsquelle angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems umfasst das Flächenbeleuchtungssystem eine zweite, Pumpstrahlung 13 lenkende, optischen Schicht, die über der Pumpstrahlung 13 lenkenden optischen Schicht und parallel zur Pumpstrahlung 13 lenkenden optischen Schicht angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems ist beispielsweise die Pumpstrahlung 13 lenkende optische Schicht in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt und Pumpstrahlung 13 lenkende Strukturen sind in einem Bereich in einem Winkel ausgerichtet, der sich von dem Winkel Licht lenkender Strukturen in einem zweiten Bereich unterscheidet.
  • Bevorzugt befindet sich die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren auf der Oberfläche des flachen Flächenbeleuchtungssystems, also beispielsweise auf der Oberfläche einer Diffusor-Schicht 69 eines Diffusors, der sich bevorzugt wieder auf einer Oberfläche der besagten Glasplatte 46 befindet.
  • Das flache Flächenbeleuchtungssystem umfasst somit bevorzugt
    • • Pumpstrahlungsquellen, hier beispielhaft in Form der LEDs 44,
    • • eine Pumpstrahlung 13 transportierende Schicht, hier die Glasplatte 46,
    • • wobei die Pumpstrahlungsquellen eine Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp in eine diese Pumpstrahlung transportierende Schicht, hier die Glasplatte 46, die Pumpstrahlung 13 von der Seite über eine Kante der Glasplatte 46 einspeisen,
    • • eine Diffusor-Schicht 69, die eine weitere, eine Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht ist,
    • • wobei die Diffusor-Schicht 69 auf der mindestens einen Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite über dem Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Bereich flächigen Pumpstrahlungsquelle angeordnet ist, worin die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht vorzugsweise Pumpstrahlung 13 aus einer Richtung weglenkt, die vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig zur Fläche der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (insbesondere der LEDs 44) verläuft
  • Die Diffusor-Schicht 69 lenkt somit bevorzugt die Pumpstrahlung 13 in der Glasplatte 46 auf die auf der Diffusor-Schicht 69 bevorzugt befindliche Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren, die daraufhin Fluoreszenzstrahlung 14 emittieren. Die Diffusor-Schicht 69 kann auch durch eine Mattierung und/oder Strukturierung der ersten Oberfläche 67 der Glasplatte 46 erreicht werden. Auch die zweite Oberfläche 68 der Glasplatte 46 kann eine Diffusor-Schicht 69 aufweisen. Beispielsweise kann durch eine unterschiedliche Rauigkeit der Oberfläche der Glasplatte 46 erreicht werden, das ein örtlich unterschiedlicher Anteil der Pumpstrahlung 13 in der Glasplatte 46 aus der Glasplatte 46 aus- und in die Schicht 11 eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die Oberfläche der Glasplatte so strukturiert werden, dass in größerer Entfernung von den Pumpstrahlungsquellen (LEDs 44) ein größerer Anteil der Pumpstrahlung 13 aus der Glasplatte 46 heraus in die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren eingekoppelt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einem homogenen externen Magnetfeld mit einer homogenen magnetischen Flussdichte die Intensität der erzeugten Fluoreszenzstrahlung 14 an Punkten der Oberfläche der Schicht 11 im Wesentlichen nicht mehr von der Entfernung zu den Pumpstrahlungsquellen, hier den LEDs 44, abhängt.
  • die so konstruierte flächige Pumpstrahlungsquelle aus LEDs 44 und Glasplatte 46 und optionaler Diffusor-Schicht 69 bzw. Diffusor-Oberflächenstruktur der Glasplatte 46 bestrahlt dann die paramagnetischen Zentren der Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Schicht 11 umfasst dabei bevorzugt Kristalle 66, besonders bevorzugt Mikro- oder Nanokristalle 66, mit diesen paramagnetischen Zentren, die bevorzugt NV-Zentren in Diamantkristallen sind. Bevorzugt bildet die Glasplatte 46 die ebene Fläche 16 des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 aus. Die Glasplatte 46 hat hier auch die Funktion des Trägermaterials II 12.
  • Figur 31
  • 31 zeigt die Unterseite des Schaltungsträgers (PCB) 43 des Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bis 30. 31 entspricht insbesondere der 30, wobei nun die Schicht 11 der Sensorschicht 5 mit einem Trägermaterial I 9 als reflektierender Schicht 10 abgedeckt ist.
  • Figur 32
  • 32 zeigt die einen Schnitt durch einen Sensorkopf 21 entsprechend den 19 bis 31. 32 entspricht dabei weitestgehend der 22, wobei nun jedoch nur die Schnittfläche dargestellt ist und wobei nun der Schnitt durch die LEDs 44 geführt ist. Außerdem umfasst der Sensorkopf der 32 den zweiten Kühlkörper 49 zu Kühlung des Schaltungsträgers (PCB) 43 des Sensorkopfes 21 und zur Ableitung der Abwärme der LEDs 44. Der obere Teil der Fluoreszenzkamera mit der Auswertelektronik 15 fehlt zur besseren Übersichtlichkeit. Eine fachkundige Person kann diese Details beispielsweise der 22 entnehmen und hier ergänzen, sodass der obere Teil der Fluoreszenzkamera in der Figur, auch wenn nicht explizit eingezeichnet, trotzdem als offenbart gilt.
  • In der 32 sind zwei Klebepunkte mit Kleber 48 eingezeichnet, mit denen der Schaltungsträger (PCB) 43 des Sensorkopfes 21 mit den LEDs 44 und den übrigen elektronischen Bauteilen (59, 60, 61) an dem unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 befestigt ist.
  • Die LEDs 44 strahlen bei Betrieb in horizontaler Richtung Pumpstrahlung 13 in die Glasplatte 46 ein. Die Glasplatte 46 dient dabei als Wellenleiter für die Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungsquellen, also beispielsweise der LEDs 44, mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Glasplatte 46 verteilt die Pumpstrahlung 13 der LEDs 44 flächenhaft. Ein Teil der so in der Glasplatte 46 transportierten Pumpstrahlung 13 tritt in der vertikalen Richtung nach oben und unten aus der Glasplatte 46 aus.
  • Die Pumpstrahlung 13 der LEDs 44, die aus der Glasplatte 46 nach unten austritt, trifft auf die Sensorschicht 5, hier die Schicht 11 mit den Kristallen und/oder mit den Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren. Bevorzugt handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren um NV-Zentren. Die paramagnetischen Zentren der Schicht 11 emittieren infolge der Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp Fluoreszenzstrahlung 14 der Fluoreszenzwellenlänge λfl. Typischerweise ist bei NV-Zentren die Pumpstrahlung 13 grün und die Fluoreszenzstrahlung 14 rot.
  • Eine reflektierende Schicht 10 reflektiert vorzugsweise die Pumpstrahlung 13, die von der Schicht 11 transmittiert und nicht reflektiert und nicht absorbiert wird, zurück in Richtung des Lichtsensorarrays 1. Dabei passiert die reflektierte Pumpstrahlung 13 die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren ein zweites Mal und ruft dort ein zweites Mals die Emission von Fluoreszenzstrahlung 14 hervor. Dies hebt den Signalkontrast der lokal magnetfeldabhängigen Intensität der lokalen Fluoreszenzstrahlung 14 weiter an.
  • Die reflektierende Schicht 10 reflektiert vorzugsweise auch den Anteil der Fluoreszenzstrahlung 14, die von der Schicht 11 nach unten hin emittiert wird, zurück in Richtung des Lichtsensorarrays 1. Dabei passiert die reflektierte Fluoreszenzstrahlung 14 die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren ein zweites Mal.
  • Die Schicht 11 emittiert somit einen ersten Anteil der Fluoreszenzstrahlung 14 direkt in Richtung des Lichtsensorarrays 1 und transmittiert einen zweiten Anteil der Fluoreszenzstrahlung 14, der an der reflektierenden Schicht 10 reflektiert wurde, zumindest teilweise typischerweise ebenfalls in Richtung des Lichtsensorarrays 1. Dies hebt somit ebenfalls den Signalkontrast der lokal magnetfeldabhängigen Intensität der lokalen Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren der Schicht 11 weiter an.
  • In dem Beispiel der 32 verhindert beispielhaft eine optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 den Austritt der Pumpstrahlung 13 der LEDs 44 mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmpaus der Glasplatte 46 in Richtung des Lichtsensorarrays 1. D.h. diese optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 kann die Rolle des optischen Filter (Longpass) 6 übernehmen und diesen ersetzen.
  • In dem Beispiel der 32 ermöglicht beispielhaft die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 die Transmission der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren der Schicht 11 mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl durch die Glasplatte 46 in Richtung des Lichtsensorarrays 1. D.h. diese optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 kann auch hier die Rolle des optischen Filter (Longpass) 6 übernehmen und diesen ersetzen.
  • Daher ist die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 typischerweise für elektromagnetische Strahlung, also beispielsweise Pumpstrahlung 13, mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp im Wesentlichen nicht transparent und bevorzugt im Wesentlichen reflektierend.
  • Hier bei bedeutet „im Wesentlichen nicht transparent“, dass die Intensität der verbleibenden transmittierten elektromagnetischen Strahlung, also beispielsweise Pumpstrahlung 13, mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp so gering ist, dass die verbleibenden transmittierten elektromagnetischen Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp die Erzielung des beabsichtigten Zwecks in der jeweiligen Anwendung vorzugsweise nicht beeinträchtigt.
  • Hier bei bedeutet „im Wesentlichen reflektiert“, dass die Intensität der nicht reflektierten elektromagnetischen Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp so gering ist, dass die verbleibende reflektierte elektromagnetischen Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp für die Erzielung des beabsichtigten Zwecks in der jeweiligen Anwendung vorzugsweise ausreichend ist.
  • In dem Beispiel der 32 bildet die Kombination aus den LEDs 44 mit der Glasplatte 46 ein Beispiel für eine flächenhafte Pumpstrahlungsquelle zur Bestrahlung der paramagnetischen Zentren der Kristalle und/oder Nanokristalle 66 der Schicht 11 der Sensorschicht 5 mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp .
  • Das hier vorgelegte Dokument offenbart somit eine flächenhafte Pumpstrahlungsquelle, die ein oder mehrere primäre Pumpstrahlungsquellen, hier die LEDs 44, und ein optisches Funktionselement, hier die Glasplatte 46 zur flächenhaften Verteilung der Pumpstrahlung 13 der primären Pumpstrahlungsquellen, hier der LEDs 44, umfasst.
  • In einer bevorzugten Variante bestrahlt diese flächenhafte Pumpstrahlungsquelle eine Schicht 11 mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren, hier die Schicht 11, mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp.
  • In einer weiteren Variante emittiert diese Schicht 11 dann ggf. örtlich unterschiedlich je nach dem Wert des lokalen Betrags der magnetischen Flussdichte eine Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl.
  • In einer weiteren Variante separiert ein optisches Funktionselement, beispielsweise die dichroitisch verspiegelte optionale Schicht 47 und/oder der optischer Filter (Longpass) 6, die elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp von der elektromagnetischen Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl. In dieser weiteren Variante separiert somit das optische Funktionselement, beispielsweise die dichroitisch verspiegelte optionale Schicht 47 und/oder der optischer Filter (Longpass) 6, die Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp von der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl. Somit kann dann nur noch elektromagnetischen Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl bzw. Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl zum Lichtsensorarray 1 gelangen.
  • Vorzugsweise ist zu dem gleichen Zweck das Gehäuse 8 des Sensorkopfes 21 lichtdicht ausgeführt.
  • Die abbildende Optik 7 bildet die örtlich verschiedene Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren der Schicht 11 auf das Lichtsensorarray 1 ab.
  • Mittels der nicht eingezeichneten, aber hiermit ausdrücklich mitoffenbarten Auswerteelektronik 15 und des Lichtsensorarrays 1 erfasst der Sensorkopf 21 somit diese die örtlich verschiedene Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren der Schicht 11 und damit die örtlich unterschiedlichen Werte des Betrags der magnetischen Flussdichte in der Schicht 11 in Form eines Bildes.
  • Der erste Kühlkörper 50 kühlt die Auswerteelektronik 13 der Fluoreszenzkamera und das Lichtsensorarray 1 der Fluoreszenzkamera und erhöht so den Signal-zu-Rauschabstand der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1.
  • Der zweite Kühlkörper 49 kühlt den Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45. Hierbei kühlt der zweite Kühlkörper 49 insbesondere die LEDs 44, die erhebliche Wärme abgeben, und verhindert so ein Aufheizen des Gehäuses (8, 40, 41) und damit ein Aufheizen des Lichtsensorarrays 1. Auch und erhöht den Signal-zu-Rauschabstand der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1.
  • Bei dem Sensorkopf 21 der 32 handelt es sich somit weitestgehend um einen Sensorkopf 21 entsprechend den 19 bis 31.
  • Figur 33
  • 33 zeigt die einen Schnitt durch einen Sensorkopfe 21 entsprechend den 19 bis 32. 33 entspricht dabei weitestgehend der 32, wobei nun der Schnitt NICHT durch die LEDs 44 geführt ist. 32 entspricht dabei auch weitestgehend der 22, wobei nun jedoch nur die Schnittfläche dargestellt ist. Bei dem Sensorkopf 21 der 33 handelt es sich somit weitestgehend um einen Sensorkopf 21 entsprechend den 19 bis 32.
  • Figur 34
  • 34 entspricht dabei weitestgehend der 23, wobei nun der Sensorkopf 21 der 34 zusätzlich gegenüber dem Sensorkopf 21 der 23 den zweiten Kühlkörper 49 aufweist. Bei dem Sensorkopf 21 der 34 handelt es sich somit weitestgehend um einen Sensorkopf 21 entsprechend den 19 bis 33.
  • Figur 35
  • 35 zeigt die Fluoreszenzkamera eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bis 34 in Verbindung mit dem ersten Kühlkörper 50 als Schnittbild. Die Fluoreszenzkamera umfasst hier beispielsweise die Auswerteelektronik 15, das Kameragehäuse 54, das Lichtsensorarray 1 und die abbildende Optik 7. Ggf. kann die Fluoreszenzkamera auch das optische Filter (Longpass) 6 im Strahlengang der abbildenden Optik 7 und des Lichtsensorarrays 1 mitumfassen.
  • Der erste Kühlkörper 50 ist vorzugsweise mit einem geringen thermischen Widerstand mit der Auswerteelektronik 15 und/oder dem Lichtsensorarray 1 thermisch verbunden. Besonders bevorzugt ist der erste Kühlkörper 50 mit einem geringen thermischen Widerstand mit dem Lichtsensorarray 1 thermisch verbunden. Hierdurch verbessert der erste Kühlkörper 50 das Signal-zu-Rauschverhältnis des Lichtsensorarrays 1.
  • Figur 36
  • 36 zeigt wie die 35 die Fluoreszenzkamera eines Sensorkopfes 21 entsprechend den 19 bis 35 in Verbindung mit dem ersten Kühlkörper 50 nun jedoch nicht als Schnittbild.
  • Figur 37
  • 37 zeigt das Funktionsprinzip der Sensorschicht 5, wie sie in den Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes der 19 bis 36 in den 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29,30, 31, 32 und 33 Verwendung findet. Die zwei Leuchtdioden (LEDs) 44 bilden hier die primären Pumpstrahlungsquellen für die Erzeugung der Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die primären Pumpstrahlungsquellen in Form der LEDs 44 strahlen die Pumpstrahlung 13 von der Seite her in das flächige erste optische Funktionselement in Form einer Glasplatte 49 ein. Die Pumpstrahlung 13 breitet sich vom Einspeisepunkt der Pumpstrahlung 13 in das flächenhafte erste optische Funktionselement - hier die Glasplatte 49 - flächenhaft aus, wobei die Intensität mit dem Abstand vom Einspeisepunkt der Pumpstrahlung 13 in das flächenhafte erste optische Funktionselement - hier die Glasplatte 49 - kontinuierlich abnimmt. Ein Teil der Pumpstrahlung 13 verlässt das erste optische Funktionselement (Glasplatte 49) in Richtung einer ersten Oberfläche 67 und tritt in die Schicht 11 über. Die Schicht 11 umfasst bevorzugt eine Vielzahl von Kristallen und/oder Nanokristallen 66, die bevorzugt paramagnetische Zentren umfassen. Die Kristalle und Nanokristalle 66 sind bevorzugt in ein Trägermaterial der Schicht 11 eingebettet, dass für elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp transparent ist. Die Kristalle und Nanokristalle 66 sind bevorzugt in ein Trägermaterial der Schicht 11 eingebettet, dass für elektromagnetische Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl transparent ist.
  • Die Kristalle und Nanokristalle 66 sind bevorzugt in ein Trägermaterial der Schicht 11 eingebettet, dass für Pumpstrahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp transparent ist. Die Kristalle und Nanokristalle 66 sind bevorzugt in ein Trägermaterial der Schicht 11 eingebettet, dass für Fluoreszenzstrahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl transparent ist.
  • Ein Teil der Pumpstrahlung 13 in der Schicht 11 bestrahlt paramagnetische Zentren von Kristallen und Nanokristallen 66 in der Schicht 11. Aufgrund der Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp emittieren paramagnetische Zentren von Kristallen und Nanokristallen 66 in der Schicht 11 Fluoreszenzstrahlung 14.
  • Eine Verspiegelung 10 reflektiert den Teil der Fluoreszenzstrahlung 14, der die Schicht 11 nicht in Richtung auf das Lichtsensorarray 1, sondern in die entgegengesetzte Richtung verlässt in die Schicht 11 zurück.
  • Die Verspiegelung 10 reflektiert den Teil der Pumpstrahlung 13, der die Schicht 11 nicht in Richtung auf das Lichtsensorarray 1, sondern in die entgegengesetzte Richtung verlässt in die Schicht 11 zurück.
  • In dem Beispiel der 37 ist die Verspiegelung 10 mit einem optionalen Trägermaterial I 9 abgedeckt. Typischer Weise ist das Trägermaterial I 9 eine Teilvorrichtung des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8.
  • Figur 38
  • Die 38 zeigt schematisch vereinfacht das Funktionsprinzip der Sensorschicht 5, wie sie in den Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes der 19 bis 36 in den 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29,30, 31, 32 und 33 Verwendung finden kann. Im wesentlichen entspricht die 38 der 37, wobei auf der zweiten Oberfläche 68 des ersten optischen Funktionselements (Glasplatte 49) eine dichroitisch verspiegelte optionale Schicht 47 aufgebracht ist.
  • Die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 ist vorzugsweise im Wesentlichen transparent für elektromagnetische Strahlung mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl.
  • Die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 ist vorzugsweise im Wesentlichen NICHT transparent für elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp.
  • Die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 ist vorzugsweise im Wesentlichen transparent für Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl.
  • Die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 ist vorzugsweise im Wesentlichen NICHT transparent für Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp.
  • Bevorzugt reflektiert die optionale dichroitisch verspiegelte Schicht 47 Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp, die über die zweite Oberfläche 68 des ersten optischen Funktionselements (Glasplatte 49) aus dem ersten optischen Funktionselement (Glasplatte 49) austritt, wieder in das erste optische Funktionselement (Glasplatte 49) hinein zurück. Hierdurch werden die paramagnetischen Zentren in den Kristallen und/oder Nanokristallen 66 der Schicht 11 einem Maximum an Intensität der Pumpstrahlung 13 aufgesetzt. Dies verbessert das Signal-zu-Rauschverhältnis weiter.
  • Figur 39
  • 39 zeigt das System der 7 mit einem Sensorkopf der 19 bis 38.
  • Die LEDs 44 emittieren Pumpstrahlung 13 mit einer Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Sensorschicht 5 entspricht bevorzugt dem Aufbau der 38. Die Sensorschicht 5 ist vorzugsweise auf einem mechanischen Träger, beispielsweise einer ebenen Fläche 16, aufgebracht. Vorzugsweise ist die ebene Fläche 16 Teil der Gehäusewand des hier nicht gezeichneten Gehäuses 8. Das Material dieser ebenen Fläche 16 bzw. der Gehäusewand des Gehäuses 8 in diesem Bereich ist bevorzugt nicht magnetisch und beeinflusst bevorzugt das magnetische Feld im Wesentlichen nicht. Die Sensorschicht 5 umfasst bevorzugte eine Vielzahl zufällig und vorzugsweise gleichverteilt orientierte Kristalle und/oder Nanokristalle 66 mit paramagnetischen Zentren. Bei den paramagnetischen Zentren kann es sich bei der Verwendung von Diamant als Kristallmaterial beispielsweise um NV-Zentren und/oder SiV-Zentren und/oder TiV-Zentren und/oder GeV-Zentren und/oder SnV-Zentren und/oder NiN4-Zentren und/oder PbV-Zentren und/oder ST1-Zentren handeln. Die Pumpstrahlung 13 besitzt bei der Verwendung von NV-Zentren in Dimant als Kristalle und/oder Nanokristalle 66 der Sensorschicht 5 bevorzugt eine Pumpstrahlungswellenlänge λpmp in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm Wellenlänge und/oder besser 450 nm bis 650 nm und/oder besser 500 nm bis 550 nm und/oder besser 515 nm bis 540 nm aufweisen. Bevorzugt ist dabei eindeutig eine Wellenlänge von 532 nm als Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Im Falle der Verwendung von NV-Zentren in Diamant oder in Diamanten der Sensorschicht 5 ist eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B beispielsweise als LED 44 mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge λpmp geeignet. Bei der Verwendung von NV-Zentren in Diamantkristallen in der Sensorschicht 5 als paramagnetische Zentren der Sensorschicht 5 emittieren die NV-Zentren der Sensorschicht 5 typischerweise bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung 13 der oben beschriebenen Pumpstrahlungswellenlänge λpmp eine Fluoreszenzstrahlung 14 mit einer typischen Fluoreszenzwellenlänge λfl von ca. 637nm bei NV-Zentren. Eine abbildende Optik 7 erfasst bevorzugt das Fluoreszenzbild der ortsabhängigen Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl, das die Sensorschicht 5 mittels der paramagnetischen Zentren in der Sensorschicht 5 erzeugt. Ein optisches Longpass-Filter 6 und/oder eine dichroitisch verspiegelte optionale Schicht 47 in der Sensorschicht 5 lassen bevorzugt elektromagnetische Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge λfl und damit die Fluoreszenzstrahlung 14 passieren. Das optische Longpass-Filter 6 und/oder eine dichroitisch verspiegelte optionale Schicht 47 in der Sensorschicht 5 blockieren bevorzugt die Passage elektromagnetischer Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und damit die Passage der Pumpstrahlung 13. Hierdurch kann die abbildende Optik 7 das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 im Wellenlängenbereich der Fluoreszenzwellenlänge λfl erfassen und auf die n x m Lichtsensoren des n x m Lichtsensorarrays 1 der Fluoreszenzkamera abbilden. Da die Intensität der Fluoreszenzstrahlung 14 der Sensorschicht 5 lokal in der Sensorschicht 5 von der magnetischen Flussdichte B am Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums in der Sensorschicht 5 abhängt, entspricht das Fluoreszenzbild der Sensorschicht 5 einem Magnetflussdichtenbetragsbild des magnetischen Flussdichtefeldes, das die Sensorschicht 5 durchflutet. Da in der Regel die Dichteverteilung der paramagnetischen Zentren in der Sensorschicht 5 und/oder die Ausleuchtung der Sensorschicht 5 mit Pumpstrahlung 13 und/oder die Erfassung der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzstrahlung 14 über die Fläche der Sensorschicht 5 bei allem Bemühen nicht ganz homogen sind, hat es sich bewährt, durch Kalibrationsmessungen das System vor dem ersten Gebrauch zu kalibrieren. Zur Verarbeitung der Messwerte der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erfassen Auswertelektroniken 15 des Lichtsensorarrays 1 die Messwerte des Signale der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und bilden daraus insbesondere durch Verstärkung und/oder Filterung die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1. Die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 steuert bevorzugt mittels einer Ansteuervorrichtung 35 für die Elektromagnete der Hilfsmagnete 19 die Hilfsmagnete 19, wenn diese nicht nur Permanentmagnete umfassen. Die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 erzeugt beispielsweise aus den die Ausgangssignalen 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 ein Fluoreszenzbild und/oder beispielsweise ggf. auch ein verbessertes Fluoreszenzbild, wie oben beschrieben. Aufgrund der zuvor dargestellten Zusammenhänge stellen das Fluoreszenzbild und/oder beispielsweise ggf. auch das verbesserte Fluoreszenzbild ein Magnetflussdichtenbetragsbild des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 bzw. ein verbessertes Magnetflussdichtenbetragsbild des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 dar. Die Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 überträgt dieses Fluoreszenzbild bzw. das verbesserte Fluoreszenzbild vorzugsweise mittels der Schnittstellenschaltung 36 über einen Datenbus 29 an ein Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Bevorzugt erzeugt das Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 aus diesem Fluoreszenzbild bzw. aus dem verbesserten Fluoreszenzbild eine ein- oder zwei- oder dreidimensionale Darstellung der Verteilung der magnetischen Flussdichte in der Sensorschicht 5 und stellt diese auf dem Bildschirm 32 dar. Der Datenbus 29 dient dabei der Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21. Das Messobjekt, hier beispielhaft ein ferromagnetisches Material 17 mit Fehlern 18 erzeugt die Variationen der magnetischen Flussdichte B in der Sensorschicht 5, die zu den besagten Magnetflussdichtenbetragsbildern des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 bzw. den verbesserten Magnetflussdichtenbetragsbildern des magnetischen Flussdichtefeldes in der Sensorschicht 5 führen.
  • Figur 40
  • 40 entspricht weitestgehend der 37, die das Funktionsprinzip der Sensorschicht 5 zeigt, wie sie in den Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes der 19 bis 36 in den 20, 21, 22, 24, 25, 28, 29,30, 31, 32 und 33 Verwendung findet. Die 40 unterscheidet sich von der 37 durch eine Diffusorschicht 69.
  • Die folgenden Erklärungen der 40 finden sich auch im vorangehenden Text.
  • Leider ist die Intensitätsverteilung der Intensität der an einem Punkt der Oberfläche der Glasplatte 46 aus dieser abgewandten Glasplattenoberfläche der Glasplatte 46 austretenden Pumpstrahlung 13 vom inversen quadratischen Abstand dieses Punkts der Oberfläche der Glasplatte 46 von der betreffenden LED 44 abhängig. Diese Abstandsabhängigkeit kann durch eine Diffuser-Struktur in einer Diffusor-Schicht 69 auf dieser abgewandten Glasplattenoberfläche der Glasplatte 46 ausgeglichen werden. Bevorzugt ist somit die Glasplatte 46 auf der Oberfläche, die vom Lichtsensorarray 1 abgewandt ist, mit einer Diffusor-Struktur in einer Diffusor-Schicht 69 versehen, die eine homogene Beleuchtung der Schicht 11 und damit der in der Schicht 11 enthaltenen paramagnetischen Zentren mit Pumpstrahlung 13 durch die LEDs 44 sicherstellt.
  • Bei diesem System aus einer Glasplatte 46, den LEDs 44, die von den Kanten der Glasplatte 46 Pumpstrahlung 13 in das Material der Glasplatte 46 einstrahlen, der Diffusor-Schicht 69 und der Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren handelt es sich letztlich um ein flaches Flächenbeleuchtungssystem, mit: a) einer flächigen Pumpstrahlungsquelle (44, 46) für Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp, die ein Substrat und mindestens einen auf dem Substrat (Glaswafer 46) ausgebildeten, im Wesentlichen nicht gepixelten, Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Bereich aufweist, der Pumpstrahlung 13 von mindestens einer Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der flächigen Pumpstrahlungsquelle aus in jede Richtung ausstrahlt (Nach unten zeigende Oberfläche der Glasplatte 46); und b) einer Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht - beispielsweise der Glasplatte 46 -, die auf der mindestens einen Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite(Kante der Glasplatte 46) über dem Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Bereich einer punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (beispielhafte LEDs 44) angeordnet ist, worin die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht - insbesondere die Glasplatte 46 - vorzugsweise Pumpstrahlung 13 aus einer Richtung weglenkt, die rechtwinklig zur Fläche der Pumpstrahlung 13 (Lichtausbreitungsebene der Pumpstrahlung 13 in der Glasplatte 46) ausstrahlenden Seite der flächigen oder punktförmigen Pumpstrahlungsquelle (46, 44) verläuft.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine strukturierte erste Oberfläche(Unterseite der Glasplatte 46) auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) benachbart angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine plane erste Oberfläche auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) rechtwinklig gegenüber angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine plane erste Oberfläche auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) gegenüber angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die strukturierte erste Oberfläche der Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht (Glasplatte 46) dreieckige Prismen oder eine auf die erste Oberfläche der Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht (Glasplatte 46) aufgebrachte Diffusor-Schicht 69 beispielsweise als Diffusor auf.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die strukturierte Oberfläche beispielsweise zylindrische Linsen oder andere optische und/oder mikrooptische Funktionselemente auf.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die strukturierte Oberfläche eine Vielzahl keilförmiger Strukturen auf, die eine lange Achse aufweisen, wobei die Achsen der keilförmigen Strukturen bevorzugt dann in einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet sind.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems umfasst eine flächige Pumpstrahlungsquelle OLEDs oder VCSELs als LEDs 44.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems weist die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht (Glasplatte 46) eine plane erste Oberfläche auf, die der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (LEDs 44) gegenüber angeordnet ist, wobei bevorzugt die flächigen Pumpstrahlungsquellen (LEDs 44) OLEDs oder VCSELs als LEDs 44 umfassen.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems umfasst das flächige Flächenbeleuchtungssystem in einer Diffusor-Schicht 69 einen Diffusor, der zwischen der Pumpstrahlung 13 lenkenden, optischen Schicht und der flächigen Pumpstrahlungsquelle angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems umfasst das Flächenbeleuchtungssystem eine zweite, Pumpstrahlung 13 lenkende, optischen Schicht, die über der Pumpstrahlung 13 lenkenden optischen Schicht und parallel zur Pumpstrahlung 13 lenkenden optischen Schicht angeordnet ist.
  • In einer Ausprägung des flachen Flächenbeleuchtungssystems ist beispielsweise die Pumpstrahlung 13 lenkende optische Schicht in eine Vielzahl von Bereichen unterteilt und Pumpstrahlung 13 lenkende Strukturen sind in einem Bereich in einem Winkel ausgerichtet, der sich von dem Winkel Licht lenkender Strukturen in einem zweiten Bereich unterscheidet.
  • Bevorzugt befindet sich die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren auf der Oberfläche des flachen Flächenbeleuchtungssystems, also beispielsweise auf der Oberfläche einer Diffusor-Schicht 69 eines Diffusors, der sich bevorzugt wieder auf einer Oberfläche der besagten Glasplatte 46 befindet.
  • Das flache Flächenbeleuchtungssystem umfasst somit bevorzugt
    • • Pumpstrahlungsquellen, hier beispielhaft in Form der LEDs 44,
    • • eine Pumpstrahlung 13 transportierende Schicht, hier die Glasplatte 46,
    • • wobei die Pumpstrahlungsquellen eine Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp in eine diese Pumpstrahlung transportierende Schicht, hier die Glasplatte 46, die Pumpstrahlung 13 von der Seite über eine Kante der Glasplatte 46 einspeisen,
    • • eine Diffusor-Schicht 69, die eine weitere, eine Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht ist,
    • • wobei die Diffusor-Schicht 69 auf der mindestens einen Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite über dem Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Bereich flächigen Pumpstrahlungsquelle angeordnet ist, worin die Pumpstrahlung 13 lenkende, optische Schicht vorzugsweise Pumpstrahlung 13 aus einer Richtung weglenkt, die vorzugsweise im Wesentlichen rechtwinklig zur Fläche der Pumpstrahlung 13 ausstrahlenden Seite der punktförmigen oder flächigen Pumpstrahlungsquelle (insbesondere der LEDs 44) verläuft
  • Die Diffusor-Schicht 69 lenkt somit bevorzugt die Pumpstrahlung 13 in der Glasplatte 46 auf die auf der Diffusor-Schicht 69 bevorzugt befindliche Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren, die daraufhin Fluoreszenzstrahlung 14 emittieren. Die Diffusor-Schicht 69 kann auch durch eine Mattierung und/oder Strukturierung der ersten Oberfläche 67 der Glasplatte 46 erreicht werden.
  • Auch die zweite Oberfläche 68 der Glasplatte 46 kann eine Diffusor-Schicht 69 aufweisen. Beispielsweise kann durch eine unterschiedliche Rauigkeit der Oberfläche der Glasplatte 46 erreicht werden, das ein örtlich unterschiedlicher Anteil der Pumpstrahlung 13 in der Glasplatte 46 aus der Glasplatte 46 aus- und in die Schicht 11 eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die Oberfläche der Glasplatte so strukturiert werden, dass in größerer Entfernung von den Pumpstrahlungsquellen (LEDs 44) ein größerer Anteil der Pumpstrahlung 13 aus der Glasplatte 46 heraus in die Schicht 11 mit den paramagnetischen Zentren eingekoppelt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei einem homogenen externen Magnetfeld mit einer homogenen magnetischen Flussdichte die Intensität der erzeugten Fluoreszenzstrahlung 14 an Punkten der Oberfläche der Schicht 11 im Wesentlichen nicht mehr von der Entfernung zu den Pumpstrahlungsquellen, hier den LEDs 44, abhängt. die so konstruierte flächige Pumpstrahlungsquelle aus LEDs 44 und Glasplatte 46 und optionaler Diffusor-Schicht 69 bzw. Diffusor-Oberflächenstruktur der Glasplatte 46 bestrahlt dann die paramagnetischen Zentren der Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp. Die Schicht 11 umfasst dabei bevorzugt Kristalle 66, besonders bevorzugt Mikro- oder Nanokristalle 66, mit diesen paramagnetischen Zentren, die bevorzugt NV-Zentren in Diamantkristallen sind. Bevorzugt bildet die Glasplatte 46 die ebene Fläche 16 des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 aus. Die Glasplatte 46 hat hier auch die Funktion des Trägermaterials II 12.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lichtsensorarray 1 mit Elektronik (Ansteuerung, etc.). Vorzugsweise umfasst das Lichtsensorarray einen CCD Kamerasensor oder dergleichen, wobei jedes CCD Pixel des CCD Kamerasensors einen Lichtsensor des Lichtsensorarrays im Sinne des hier vorgelegten Dokuments darstellt;
    2
    Lichtquelle. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um einen Laser oder eine LED handeln. Bevorzugt strahlt die Lichtquelle bei Versorgung mit elektrischer Energie Pumpstrahlung 13 der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp ab;
    3
    Beleuchtungsoptik;
    4
    optischer Filter (Shortpass);
    5
    Sensorschicht 5;
    6
    optischer Filter (Longpass) 6;
    7
    abbildende Optik 7;
    8
    Gehäuse 8. Beispielsweise kann es sich um ein 3D-Druckgehäuse handeln. Das Gehäuse 8 kann beispielsweise oberer Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8 und einen unteren Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 umfassen;
    9
    Trägermaterial I 9.;
    10
    Verspiegelung 10;
    11
    Schicht 11 mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren. Bevorzugt umfasst diese Schicht eine Vielzahl von Kristallen und/oder Nanokristallen 66, die vorzugsweise vollkommen zufällig, gleichverteilt orientiert sind und deren Dichte vorzugsweise im Wesentlichen nicht abhängig von der Position in der Schicht ist. Vorzugsweise handelt es sich bei den Kristallen und/oder Nanokristallen 66 um Diamanten. Vorzugsweise handelt es sich bei den paramagnetischen Zentren um NV-Zentren. Bei diesem Diamantmaterial handelt es sich bevorzugt um NV-reichem Diamantstaub in einem optisch transparentem Verbundmaterial, das für elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Pumpstrahlung 13, mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl im Wesentlichen transparent ist. Typischerweise umfasst die Sensorschicht 5 diese Schicht 11.
    12
    Trägermaterial II 12. Bei dem Trägermaterial II 12 kann es sich beispielsweise um eine Glasplatte 46 handeln, die gleichzeitig als beispielhaftes optisches Funktionselement die Schicht 11 mit Kristallen und/oder Nanokristallen 66 mit paramagnetischen Zentren mit Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp bestrahlt;
    13
    Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp;
    14
    Fluoreszenzstrahlung 14 mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl;
    15
    Auswertelektronik 15 des Lichtsensorarrays 1;
    16
    vorzugsweise ebene Fläche;
    17
    ferromagnetisches Material;
    18
    Fehler in dem beispielhaften ferromagnetischen Material 17 der 6;
    19
    Hilfsmagnet 19;
    20
    beispielhafte Bewegungsrichtung;
    21
    Sensorkopf 21;
    22
    Unterseite der Sensorschicht 5 in Richtung vom Lichtsensorarray 1 weg;
    23
    Oberseite der Sensorschicht 5 in Richtung des Lichtsensorarrays 1;
    24
    Unterseite 24 des Gehäuses 8;
    25
    Sensorschichtdicke der Sensorschicht 5;
    26
    der Abstand zwischen Sensorschicht 5 und der Außenfläche des Gehäuses 8 im Bereich der Sensorschicht 5. In den hier vorgestellten Beispielen betrug der Abstand zwischen der Sensorschicht 5 und der Oberfläche 34 des Messobjekts 17 weniger als 1mm;
    27
    elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlängenbereiche 27;
    28
    Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21;
    29
    Datenbus 29 zur Herstellung der Datenverbindung zwischen Aufbereitungsschaltung 30 für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1 und Rechnersystem 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21;
    30
    Aufbereitungsschaltung für die Ausgangssignale 31 der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1. Die Aufbereitungsschaltung 30 ist bevorzugt Teil der Auswerteelektronik 15;
    31
    Ausgangssignale der Lichtsensoren des Lichtsensorarrays 1;
    32
    Bildschirm;
    33
    Rechnerkern des Rechnersystems 28 zur Bedienung des Sensorkopfes 21 mit zumindest einer CPU;
    34
    Oberfläche des Messobjekts. In 6 Oberfläche des ferromagnetischen Materials 17;
    35
    Ansteuervorrichtung für die Elektromagnete der Hilfsmagnete 19;
    36
    Schnittstellenschaltung;
    37
    Permanentmagnete für Prüfzwecke;
    38
    Glasplatte;
    39
    zweidimensionale Falschfarben- Magnetflussdichtenbetragsbild der Verteilung der magnetischen Flussdichte von vier Permanentmagneten 37 auf einer Glasplatte 38.
    40
    oberer Gehäuseteil 40 des Gehäuses 8. Beispielsweise kann es sich um einen oberen 3D-Druckgehäuseteil des beispielhaften 3D-Druckgehäuses 8 handeln;
    41
    unterer Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8. Beispielsweise kann es sich um einen unteren 3D-Druckgehäuseteil des beispielhaften 3D-Druckgehäuses 8 handeln;
    42
    Stromversorgungskabel 42 für das PCB 43 mit den LEDs 44;
    43
    Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45;
    44
    LED 44 zur Bestrahlung der Sensorschicht 5 über eine Beleuchtungsoptik 3 beispielsweise in Form einer Glasplatte 46 als beispielhaftes optisches Funktionselement mit Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp;
    45
    Energieversorgung 45 der LEDs 44 des beispielhaften Schaltungsträgers (PCB) 43;
    46
    Glasplatte 46 als beispielhaftes optisches Funktionselement, dass die paramagnetischen Zentren der Schicht 11 mit Pumpstrahlung 13 mit der Pumpstrahlungswellenlänge λpmp bestrahlt. Die Schicht 11 umfasst dabei bevorzugt Kristalle und/oder Nanokristalle 66 mit diesen paramagnetischen Zentren, die bevorzugt NV-Zentren sind. Bevorzugt bildet die Glasplatte 46 die ebene Fläche 16 des unteren Gehäuseteils 41 des Gehäuses 8 aus. Die Glasplatte hat hier auch die Funktion des Trägermaterials II 12;
    47
    dichroitisch verspiegelte optionale Schicht 47;
    48
    Kleber 48;
    49
    zweiter Kühlkörper 49 zur Kühlung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44. Der zweite Kühlkörper 49 umfasst bevorzugt Kupfer als Kühlkörpermaterial des zweiten Kühlkörpers 49;
    50
    erster Kühlkörper 50 zur Kühlung der Auswertelektronik 15 des Lichtsensorarrays 1 und/oder des Lichtsensorarrays 1. Der erste Kühlkörper 50 umfasst bevorzugt Kupfer als Kühlkörpermaterial des ersten Kühlkörpers 50;
    51
    Kühlrippen 51, die thermisch mit dem ersten Kühlkörper 50 beispielsweise mittels einer Wärmeleitpaste 53 oder dergleichen gekoppelt sind;
    52
    Deckel 52 des Gehäuses 8;
    53
    Wärmeleitpaste 53;
    54
    Kameragehäuse 54 der Fluoreszenzkamera mit dem Lichtsensorarray 1 mit dessen Auswertelektronik 15 und der abbildenden Optik 7;
    55
    Energiezuleitung 55 zur Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44;
    56
    Anschlussstecker 56 für die Energiezuleitung 55 zur Energieversorgung des Schaltungsträgers (PCB) 43 für die LEDs 44 und deren Energieversorgung 45 und der LEDs 44;
    57
    elastisches und thermisch leitendes Material 57;
    58
    Thermisch leitende Isolationsfolie 58;
    59
    LED-Vorwiderstände 59 der LEDs 44 auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44 ;
    60
    elektronische Bauteile 60 der Energieversorgung der LEDs 44 auf dem Schaltungsträger (PCB) 43;
    61
    Spannungsregler und/oder Regeltransistor 61. Der Spannungsregler und/oder Regeltransistor 61 ist typischerweise ein elektronisches Bauteile 60 der Energieversorgung der LEDs 44 auf dem Schaltungsträger (PCB) 43. Der Spannungsregler und/oder Regeltransistor 61 ist typischerweise das Stellglied der Spannungsreglung der Energieversorgung der LEDs 44 auf dem Schaltungsträger (PCB) 43;
    62
    Kodierstecker 62 zur Änderung analoger Betriebsparameter der elektronischen Schaltung auf dem Schaltungsträger (PCB) 43;
    63
    Befestigungsmittel für die beispielhafte Befestigung des Hilfsmagneten 19 an dem Deckel 52 des Gehäuses ;
    64
    Zugangsöffnung 64 in dem unterer Gehäuseteil 41 des Gehäuses 8 an der Unterseite des Gehäuses 8, die die Änderung der Kodierposition des Jumpers des Kodiersteckers 62 und damit eine Änderung analoger Betriebsparameter der elektronischen Schaltung auf dem Schaltungsträger (PCB) 43 nach dem Verschließen des Gehäuses 8 erlaubt. Hiefür muss der Kodierstecker 64 jedoch auf der anderen Seite des Schaltungsträgers (PCB) 43 als in den 20, 21, 25, 28, 29 gezeigt montiert werden. Bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieses Dokuments wurde erkannt, dass eine Kodierung auf dieser Seite des Schaltungsträgers (PCB) 43 statt mit Jumpern und Kodiersteckern 62 durch Lötbrücken effizienter und haltbarer ist;
    65
    Öffnung 65 in dem Schaltungsträger (PCB) 43 für die LEDs 44. Die Öffnung 65 dient dazu, dass die Fluoreszenzstrahlung 14 der paramagnetischen Zentren, also beispielsweise der NV-Zentren, in der Schicht 11 der Sensorschicht 5 auf der Unterseite der Glasplatte 46 durch die Glasplatte 46 und die Öffnung in dem Schaltungsträger (PCB) 43 zum Lichtsensorarray 1 gelangen kann
    66
    Kristall, vorzugsweise Nano-Kristall 66 mit vorzugsweise mehreren paramagnetischen Zentren;
    67
    erste Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements (Glasplatte 49);
    68
    zweite Oberfläche 68 des ersten optischen Funktionselements (Glasplatte 49);
    69
    Diffusor-Schicht 69. Im Sinne der technischen Lehre des hiervorgelegten Dokuments kann die Diffusor-Schicht 69 auch eine Diffuser-Struktur auf der ersten Oberfläche 67 oder auf der zweiten Oberfläche 68 des ersten optischen Funktionselements, insbesondere der Glasplatte 46 sein. Bevorzugt befindet sich die Diffusor-Schicht 69 an der ersten Oberfläche 67 des ersten optischen Funktionselements der Sensorschicht 5 - hier der Glasplatte 46;
    λfl
    Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl der Fluoreszenzstrahlung 14;
    λpmp
    Pumpstrahlungswellenlänge λpmp der Pumpstrahlung 13;
  • Liste der zitierten Schriften
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112020003569 A5 [0004, 0270]
    • DE 102019121028 A1 [0005, 0270]
    • DE 102020129308 A1 [0006, 0270]
    • DE 102018127394 A1 [0007, 0270]
    • DE 102021101565 A1 [0008, 0270]
    • DE 102020109477 A1 [0009, 0270]
    • DE 102021132780 A1 [0010, 0021, 0270]
    • DE 102020134883 A1 [0011, 0270]
    • DE 102022122505 [0012, 0025, 0270]
    • DE 102022121444 [0012, 0270]
    • DE 102022122507 [0013, 0270]

Claims (44)

  1. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle für die Bestrahlung paramagnetischer Zentren mit Pumpstrahlung (13) mit einer Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp), wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ein oder mehreren primäre Pumpstrahlungsquellen umfasst und wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ein erstes optisches Funktionselement, insbesondere eine Glasplatte (46) und/oder einen flächenhaften Lichtwellenleiter und/oder ein optisches System, umfasst, wobei die ein oder mehreren primäre Pumpstrahlungsquellen dazu eingerichtet sind, Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) zu emittieren, und wobei das erste optische Funktionselement eine erste Oberfläche aufweist und wobei das erste optische Funktionselement dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp), die die primären Pumpstrahlungsquellen emittieren, flächenhaft zu verteilen, und wobei das erste optische Funktionselement somit dazu eingerichtet ist, dass aus einer ersten Oberfläche des ersten optischen Funktionselements der flächenhafte Pumpstrahlungsquelle diese flächenhaft verteilte Pumpstrahlung (13) flächenhaft austritt.
  2. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach Anspruch 1, wobei die ein oder mehreren primäre Pumpstrahlungsquellen ein oder mehreren LEDs (44) umfassen.
  3. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste optische Funktionselement eine oder mehrere der folgenden optischen Funktionselemente umfasst: - eine Glasplatte (46) und/oder - einen flächenhaften Lichtwellenleiter und/oder - eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern, die einem flächenhaften Lichtwellenleiter funktionsäquivalent sind, und/oder - ein mikrooptisches System mit zumindest einem photonischen Kristall, das dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) flächenhaft zu verteilen, und/oder - ein mikrooptisches System mit zumindest einem mikrooptischen Spiegel, das dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) flächenhaft zu verteilen, und/oder - ein anderes optisches System, das dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) flächenhaft zu verteilen.
  4. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle dazu eingerichtet ist, eine flächenhafte Schicht (11) mit flächenhaft verteilten Kristallen (66) mit paramagnetischen Zentren, mit Pumpstrahlung (13) der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) flächenhaft zu bestrahlen.
  5. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach Anspruch 4, wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle die Schicht (11) umfasst und wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle die Schicht (11) über die erste Oberfläche (67) bestrahlt und wobei die Schicht (11) mit der ersten Oberfläche (67) direkt oder indirekt mechanisch verbunden ist oder diese Schicht (11) die erste Oberfläche (67) ganz oder teilweise bedeckt.
  6. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 5 wobei die die Schicht (11) dazu eingerichtet ist, örtlich unterschiedlich je nach dem Wert des lokalen Betrags der magnetischen Flussdichte in der Schicht (11) eine Fluoreszenzstrahlung (14) mit einer Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λfl) zu emittieren.
  7. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die flächenhafte Pumpstrahlungsquelle ein weiteres optisches Funktionselement umfasst und wobei das weitere optische Funktionselement dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) von der elektromagnetischen Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λfl) zu separieren.
  8. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach Anspruch 7, wobei das weitere optische Funktionselement eines oder mehrere der folgenden optischen Funktionselemente umfasst: - eine dichroitisch verspiegelte Schicht (47) und/oder - einen optischen Filter (Longpass) (6).
  9. Flächenhafte Pumpstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei das weitere optische Funktionselement dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) von der Fluoreszenzstrahlung (14) mit der Fluoreszenzstrahlungswellenlänge (λfl) zu separieren.
  10. Verfahren zur Herstellung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (44, 46), umfassen die Schritte A) Bereitstellung von ein oder mehreren primären Pumpstrahlungsquellen, - wobei die ein oder mehreren primäre Pumpstrahlungsquellen dazu eingerichtet sind, Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) zu emittieren, und B) Bereitstellen eines ersten optischen Funktionselements, - wobei das erste optische Funktionselement eine erste Oberfläche aufweist und - wobei das erste optische Funktionselement dazu eingerichtet ist, die Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) der primären Pumpstrahlungsquellen flächenhaft zu verteilen, und - wobei das optische Funktionselement somit dazu eingerichtet ist, dass aus einer ersten Oberfläche des ersten optischen Funktionselements der flächenhafte Pumpstrahlungsquelle diese flächenhaft verteilte Pumpstrahlung (13) flächenhaft austritt; C) mechanisches Verbinden der primären Pumpstrahlungsquellen mit dem ersten optischen Funktionselement, - wobei die primären Pumpstrahlungsquellen nach dem Verbinden dazu eingerichtet sind, Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) zu emittieren und in das erste optische Funktionselement, insbesondere über eine Kante des ersten optischen Funktionselements und/oder eine Seitenfläche des ersten optischen Funktionselements, einzuspeisen und - wobei das erste optische Funktionselement dazu eingerichtet ist, dass die Pumpstrahlung (13) sich innerhalb des ersten optischen Funktionselements flächenhaft in einer Lichtfläche ausbreitet, und - wobei das erste optische Funktionselement dazu eingerichtet ist, über die erste Oberfläche (67) des ersten optischen Funktionselements Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) senkrecht zur Lichtfläche der Pumpstrahlung (13) innerhalb des ersten optischen Funktionselements Pumpstrahlung (13) mit der Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) abzustrahlen.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 mit den Schritten Bereitstellen eines ersten optisches Funktionselement, insbesondere einer Glasplatte (46) und/oder eines flächenhaften Lichtwellenleiters und/oder eines optischen Systems; Bereitstellen eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge (λH) härtbaren flüssigen, zweiten Trägermaterials, wobei in das zweite, flüssige Trägermaterial eine Vielzahl von Diamanten, vorzugsweise Nanodiamanten, bzw. Kristalle (66), vorzugsweise Nanokristalle (66), eingebettet sind und wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten dieser Diamanten bzw. Kristalle(66) und/oder Nanokristalle (66) NV-Zentren und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und wobei die NV-Zentren der Diamanten bzw. Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) des zweiten, flüssigen Trägermaterials und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten bzw. Kristalle und/oder Nanokristalle (66) des zweiten, flüssigen Trägermaterials bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (13) zumindest eine Fluoreszenzstrahlung (14) emittieren; Benetzen und Beschichten der ersten Oberfläche (67) des ersten optisches Funktionselements, insbesondere der Glasplatte (46) und/oder des flächenhaften Lichtwellenleiters und/oder des optischen Systems, mit dem zweiten, flüssigen Trägermaterial, das die Vielzahl eingebetteter Diamanten bzw. eingebetteter Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) aufweist; Bestrahlen der ersten Oberfläche (67) des ersten optisches Funktionselements, insbesondere der Glasplatte (46) und/oder des flächenhaften Lichtwellenleiters und/oder des optischen Systems, und/oder der Schicht des zweiten Flüssigen Trägermaterials mit elektromagnetischer Strahlung, wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge (λH), so gewählt ist, dass das zweite, flüssige Trägermaterial aushärtet und sich in einen Festkörper, insbesondere in Form der Schicht (11), wandelt.
  12. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach Anspruch 11 wobei die Schicht (11) ein oder mehrere Kristalle (66) mit paramagnetischen Zentren umfasst und/oder wobei die Schicht (11) eine Vielzahl von Nanokristallen (66) mit paramagnetischen Zentren umfasst.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach Anspruch 12 wobei die Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) in der Schicht (11) vollkommen zufällig und im Wesentlichen gleichverteilt orientiert sind, und/oder wobei die Dichte Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) in der Schicht (11) vorzugsweise im Wesentlichen nicht abhängig von der Position in der Schicht (11) ist.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) Diamanten umfassen und/oder .wobei die Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) paramagnetischen Zentren umfassen und/oder .wobei die Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) Diamanten mit NV-Zentren umfassen.
  15. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach Anspruch 14, wobei es sich bei der Schicht (11) um ein optisch transparentes Verbundmaterial handelt, das für elektromagnetische Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl im Wesentlichen transparent ist.
  16. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem der Ansprüche 11 bis 15, mit dem Schritt: • Entfernen des nicht ausgehärteten, flüssigen, zweiten Trägermaterials insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des zweiten Trägermaterials auf der Oberfläche des ersten optisches Funktionselements die Schicht (11) bildet.
  17. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach Anspruch 16, mit dem Schritt • Beschichtung der Schicht (11) mit einer Verspiegelung (10);
  18. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem der Ansprüche 11 bis 17, mit dem Schritt: • Beschichtung der Schicht (11) und/oder der Verspiegelung (10) mit einem weiteren Trägermaterial 12.
  19. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem der Ansprüche 11 bis 18, mit dem Schritt: • Verwenden der Schicht (11) zusammen mit anderen Komponenten (9, 10, 12) als Sensorschicht 5 eines Sensorkopfes (21).
  20. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem der Ansprüche 11 bis 19 mit dem Schritt Ganzflächiges oder bereichsweises Herstellen eines Diffusors oder einer Diffusor Schicht auf der ersten Oberfläche des ersten optischen Funktionselements.
  21. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5, • Bereitstellen eines ersten Trägermaterials 9; • Beschichten der Oberfläche der Oberseite des ersten Trägermaterials 9 mit einer Verspiegelung 10; • Bereitstellen eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λH härtbaren flüssigen, zweiten Trägermaterials, - wobei in das zweite, flüssige Trägermaterial eine Vielzahl von Diamanten, vorzugsweise Nanodiamanten, bzw. Kristallen (66), vorzugsweise Nanokristallen (66), eingebettet sind und - wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten dieser Diamanten bzw. Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) NV-Zentren und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und - wobei die NV-Zentren der Diamanten bzw. Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) des zweiten, flüssigen Trägermaterials und/oder - die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten bzw. Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) des zweiten, flüssigen Trägermaterials bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (13) zumindest eine Fluoreszenzstrahlung (14) emittieren; • Benetzen der Oberfläche der Verspiegelung 10 mit dem zweiten, flüssigen Trägermaterial, - das die Vielzahl eingebetteter Diamanten bzw. eingebetteter Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) aufweist; • Bestrahlen der Oberfläche der Verspiegelung 10 und der Schicht des zweiten Flüssigen Trägermaterials mit elektromagnetischer Strahlung, - wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λH, so gewählt ist, dass das zweite, flüssige Trägermaterial aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt Bildung einer Schicht (11) mit Kristallen (66) und/oder Nanokristallen (66) mit paramagnetischen Zentren; • Entfernen des nicht ausgehärteten, flüssigen, zweiten Trägermaterials insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des zweiten Trägermaterials auf der Oberfläche der Verspiegelung (10) nach optionaler Beschichtung mit einem weiteren Trägermaterial (12) zusammen mit den anderen Komponenten (9, 10, 11, 12) die Sensorschicht (5) bildet.
  22. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach Anspruch 21, • wobei die Schicht (11) eine Vielzahl von Kristallen (66) und/oder Nanokristallen (66), die vorzugsweise vollkommen zufällig, gleichverteilt orientiert sind, und deren Dichte vorzugsweise im Wesentlichen nicht abhängig von der Position in der Schicht (11) ist, umfasst.
  23. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach Anspruch 21 oder 22, • wobei die Kristalle (66) und/oder Nanokristalle (66) Diamant umfassen.
  24. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem Anspruch der Ansprüche 21 bis 23, • wobei die paramagnetischen Zentren NV-Zentren umfassen.
  25. Verfahren zur Herstellung einer Sensorschicht 5 nach einem Anspruch der Ansprüche 23 bis 24, • wobei das Diamantmaterial der Schicht (11) eine Vielzahl von Kristallen (66) und/oder Nanokristallen (66) in einem optisch transparentem Verbundmaterial umfasst und • wobei das optisch transparente Verbundmaterial für elektromagnetische Strahlung mit Pumpstrahlungswellenlänge λpmp und für elektromagnetische Strahlung mit Fluoreszenzstrahlungswellenlänge λfl im Wesentlichen transparent ist.
  26. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit den Schritten Bereitstellen der flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; Bereitstellen einer flächenhaften Schicht (11), - wobei die flächenhafte Schicht (11) eine Vielzahl von Kristallen und/oder Nanokristallen umfasst, die paramagnetische Zentren aufweisen; Bestrahlen der flächenhaften Schicht (11) mit Pumpstrahlung (13) einer Pumpstrahlungsquelle (2, 44), - wobei die Pumpstrahlung (13) eine Pumpstrahlungswellenlänge (λpmp) aufweist und - wobei paramagnetische Zentren von Kristallen und/oder Nanokristallen der flächenhaften Schicht (11) bei dieser Bestrahlung durch die die Pumpstrahlung (13) der flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) flächenhaft Fluoreszenzstrahlung (14) emittieren; Separieren der Fluoreszenzstrahlung (14) von der Pumpstrahlung (13) mittels eines Separationsmittels (6, 47); Erfassen der Fluoreszenzstrahlung (14) mittels eines Erfassungsmittels (15, 1);
  27. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 26 mit dem Schritt Abbilden der Verteilung der örtlichen Intensität der flächenhaften Emission der Fluoreszenzstrahlung (14) mittels einer bildgebenden Optik (7) auf ein Lichtsensorarray (1);
  28. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 27 mit dem Schritt Erfassen von Messwerten von Lichtsensoren des Lichtsensorarrays (1) und Aufbereitung dieser Messwerte in einer Auswerteelektronik (15) und insbesondere Bilden eines Fluoreszenzbildes aus solchen Messwerten;
  29. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 28 mit dem Schritt Komprimieren der erfassten Messwerte von Lichtsensoren des Lichtsensorarrays (1) und Aufbereitung dieser Messwerte in einer Auswerteelektronik (15) insbesondere zu einem komprimierten Fluoreszenzbild;
  30. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 28 oder 25 Übertragen eines Fluoreszenzbildes und/oder eines komprimierten Fluoreszenzbildes an ein übergeordnetes Rechnersystem (28).
  31. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 30 und 29 einerseits oder Anspruch 30 und 28 andererseits Dekomprimierung des empfangenen komprimierten Fluoreszenzbildes zu einem übertragenen Fluoreszenzbild im übergeordneten Rechnersystem (28) und/oder Verwendung des empfangenen Fluoreszenzbildes zu einem übertragenen Fluoreszenzbild im übergeordneten Rechnersystem (28).
  32. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 31 Ermitteln eines Bildes der eindimensionalen und/oder zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Verteilung der magnetischen Flussdichte in Abhängigkeit von einem oder mehreren übertragenen oder erfassten Fluoreszenzbildern;
  33. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 32 Darstellung eines Bildes der eindimensionalen und/oder zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Verteilung der magnetischen Flussdichte und/oder eines einem oder mehrerer übertragener oder erfasster Fluoreszenzbilder und/oder daraus errechneter Bilder auf einem Display oder Medium zur Darstellung von Bildern.
  34. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 32 Erzeugen einer Video-Sequenz aus mehreren eines Bildes der eindimensionalen und/oder zweidimensionalen und/oder dreidimensionalen Verteilung der magnetischen Flussdichte und/oder aus einem oder mehreren übertragenen oder erfassten Fluoreszenzbildern und/oder aus daraus errechneten Bildern.
  35. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 34 mit dem Schritt Kompression der Video-Sequenz zu einer komprimierten Video-Sequenz.
  36. Verfahren zur Verwendung einer flächenhaften Pumpstrahlungsquelle (46, 44) nach Anspruch 34 Darstellung der Video-Sequenz auf einem Display oder einem anderen Medium zur Darstellung von Video-Sequenzen.
  37. Sensorkopf (21) mit einer Sensorschicht (5) und mit einer Lichtquelle (2, 44) für Pumpstrahlung (13) und mit einer Fluoreszenzkamera mit einem Lichtsensorarray (1) aus Lichtsensoren, wobei die Sensorschicht (5) paramagnetische Zentren umfasst und wobei die paramagnetischen Zentren bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (13) Fluoreszenzstrahlung (14) emittieren und wobei die Intensität der Fluoreszenzstrahlung (14) von der Intensität der Pumpstrahlung (13) und der Intensität der magnetischen Flussdichte am jeweiligen Ort des jeweiligen paramagnetischen Zentrums abhängt und wobei die Fluoreszenzkamera ein Fluoreszenzbild der Emissionsintensitätsverteilung für die Emission der Fluoreszenzstrahlung (14) aus der Sensorschicht (5) erfasst und bereitstellt.
  38. Sensorkopf (21) nach Anspruch 37, wobei der Sensorkopf Hilfsmagnete (19) umfasst.
  39. Sensorkopf (21) nach einem der Ansprüche 37 bis 38, wobei die Sensorschicht (5) Diamanten mit NV-Zentren als paramagnetische Zentren umfasst.
  40. Magnetfeldkamera mit einem Sensorkopf (21) nach einem der Ansprüche 37 bis 39 und mit einem Rechnersystem (28) zur Bedienung des Sensorkopfes (21), wobei das Rechnersystem (28) dazu eingerichtet ist, aus einem Fluoreszenzbild des Sensorkopfes (21) und/oder aus einem daraus berechneten Bild - ein Magnetflussdichtenbetragsbild und/oder - ein Bild der eindimensionales und/oder zweidimensionales und/oder dreidimensionales Verteilung der magnetischen Flussdichte und/oder - einen Datensatz mit Werten eines eindimensionalen Verlaufs der Fluoreszenzintensität oder des Magnetflussdichtenbetrags längs einer Linie durch das Fluoreszenzbild und/oder das daraus berechneten Bild hindurch zu erzeugen.
  41. Verwendung einer Magnetfeldkamera nach Anspruch 40 und/oder eines Sensorkopfes (21) nach einem der Ansprüche 37 bis 39 für die Untersuchung des Magnetfelds magnetisierter Objekte.
  42. Verwendung einer Magnetfeldkamera nach Anspruch 40 und/oder eines Sensorkopfes (21) nach einem der Ansprüche 37 bis 39 für die Untersuchung der Struktur magnetisierter Objekte.
  43. Verwendung einer Magnetfeldkamera nach Anspruch 40 und/oder eines Sensorkopfes (21) nach einem der Ansprüche 37 bis 39 für die Untersuchung der Materialzusammensetzung magnetisierter Objekte.
  44. Verwendung einer Magnetfeldkamera nach Anspruch 40 und/oder eines Sensorkopfes (21) nach einem der Ansprüche 37 bis 39 für die Untersuchung der Stromdichteverteilung in Objekten, die von einem elektrischen Strom durchflossen sind.
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