WO2016005262A1 - Vorrichtung und verfahren für eine spektral aufgelöste vermessung eines objekts - Google Patents

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Christian Karcher
Michael Schachtner
Thomas MISSBACH
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for a spectrally resolved measurement of an object according to the preambles of claims 1 and 11.
  • the object is exposed to radiation of different wavelengths and a measurement is carried out separately for each wavelength.
  • Typical measuring methods provide for sequentially directing radiation with only one wavelength or in a narrow frequency range onto the object to be measured and performing the desired measurement.
  • Such measuring methods have the disadvantage that a considerable total measuring time is necessary for a large number of separate wavelengths at which a measurement is to be carried out.
  • EQE external quantum efficiency
  • the disadvantage here is that the emission of the LEDs with increasing wavelength is always broadband and thus the spectral resolution decreases with increasing wavelength.
  • the efficiency of light-emitting diodes decreases in particular for wavelengths above 1000 nm, so that only a limited spectrum can be measured with this method.
  • the invention is therefore based on the object of improving the previously known devices and methods for the spectrally resolved measurement of an object in order to enable a spectrally resolved measurement over a larger frequency range with a reduced overall measurement duration.
  • the device according to the invention is preferably designed for carrying out the method according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the process according to the invention is preferably for implementation by means of the device according to the invention, in particular a preferred embodiment thereof.
  • the device according to the invention for a spectrally resolved measurement of an object has a light source for generating a broadband output beam, and an optical decomposition unit for spectrally splitting the output beam into at least a first and a second spectral sub-beam, a light modulator unit for modulating the first and second spectral sub-beam and an optical Merging unit for merging the modulated spectral sub-beams into a measuring beam.
  • the light modulator unit is designed to modulate the first spectral sub-beam with a first modulation type and the second spectral sub-beam with a second modulation type, wherein the first and second types of modulation are different.
  • the measuring unit is designed accordingly, first measuring signals which are modulated with the first modulation type and second measuring signals which are modulated with the second modulation type to separate.
  • the invention is based on the recognition that the combination of a broadband light source with a light modulator unit, which is used to modulate different spectral sub-beams with different modulation types, offers considerable advantages over previously known devices for the spectrally resolved measurement of objects:
  • the use of a broadband light source enables the Measurement over a broad spectrum, since in particular per se known xenon lamps or halogen lamps can be used, which cover a considerably broader spectrum, compared with commercially available light-emitting diodes.
  • the measuring time is considerably shortened by the simultaneous application of at least two differently modulated partial spectra to previously known devices with xenon or halogen lamps.
  • the device according to the invention can be produced considerably more cost-effectively than previously known devices with tunable light sources such as, for example, tuneable lasers.
  • the method according to the invention for the spectrally resolved measurement of an object comprises the following method steps:
  • a broadband output beam is generated and a spectral decomposition of the output beam into at least a first and a second spectral sub-beam.
  • a method step B the modulation of the first and second spectral sub-beam by means of a light modulator unit.
  • the first and second spectral sub-beams are merged to form a measuring beam.
  • a method step D the object is exposed to the measuring beam, and in a method step E, a measuring signal of the object is measured.
  • the first spectral part is modulated with a first modulation type and the second spectral part is modulated with a second modulation type, the first and second types of modulation being different.
  • the measurement signal is processed by separating first measurement signals, which are modulated with the first modulation type, and second measurement signals, which are modulated with the second modulation type.
  • the modulation is effected by a frequency modulation in that the first spectral part is modulated with a first modulation frequency and the second spectral part with a second modulation frequency, wherein the first and second modulation frequencies are different.
  • This has the advantage that several spectral components can be modulated with frequencies of any phase.
  • the modulation is effected by a phase modulation in that the first spectral part is modulated with a first phase change and the second spectral part with a second phase change, wherein first and second phase changes are different.
  • first spectral part is preferably modulated into a first phase and the second spectral part is modulated into a second phase, wherein the first and second phases are different.
  • the phases differ in terms of their phase orientation.
  • the inventive method thus has the advantages already mentioned in the device according to the invention, in particular, as by the use of a broadband output beam, which is preferably produced by a broadband light source such as in particular a xenon lamp or halogen lamp, a wide range can be covered and a simultaneous application of the object with the first and second spectral components.
  • a broadband output beam which is preferably produced by a broadband light source such as in particular a xenon lamp or halogen lamp
  • First and second spectral sub-beams differ with regard to their spectral composition.
  • the spectral beams preferably have only a small wavelength range (i.e., only a small frequency width), in particular each partial beam preferably has a spectral half-width equal to the minimum half-width, preferably smaller than the minimum half-width of the object's spectral properties to be examined.
  • Corresponding half-value widths are preferably in the range 100 nm to 0.1 nm.
  • the output beam is preferably decomposed into a plurality of spectral sub-beams, preferably at least ten spectral sub-beams, in particular at least 20 spectral sub-beams, particularly preferably in the range 20 to 50 spectral sub-beams, and correspondingly there is a separation of the measurement signals for each of the spectral sub-beams.
  • the spectral sub-beams do not overlap each other in terms of wavelengths, i. H.
  • Each wavelength is assigned to a maximum of one spectral sub-beam.
  • the decomposition unit is used for the spectral decomposition of the output beam. It may, for example, comprise an optical prism.
  • the dismantling unit comprises an optical grating.
  • An optical grating has the advantage that the dispersion of the spectrally dispersed light is linear. Due to this linearity, a simple mechanical adjustment of the grating over a prism, in which the dispersion is non-linear, made possible. In addition, a grating is less expensive compared to a prism.
  • the optical grating and the light modulator unit are configured and arranged in such a way that the output beam spectrally split by means of the optical grating meets the light modulator unit and the at least two modulated spectral sub-beams strike this grating again.
  • This has the advantage that only one optical grating must be used.
  • the decomposing unit has at least one first and one second optical grating which are designed and arranged cooperatively with the light modulator unit such that the output beam spectrally decomposed by the first grating meets the light modulator unit and the at least two modulated spectral partial beams impinge on the light modulator unit hit second grid.
  • the decomposing unit comprises a collimator and a dispersive element to image the output beam collimated onto the dispersive element.
  • the collimator comprises a concave mirror, preferably a parabolic mirror. Such mirrors can be purchased inexpensively commercially.
  • the decomposing unit and the light modulator unit are preferably designed to cooperate such that at least ten, preferably at least 20, more preferably at least 80, in particular at least 100 spectral sub-beams can be modulated with different types of modulation. In this way, a spectrally high-resolution measurement can be made simultaneously.
  • the modulation types are different in pairs.
  • the separation of the measurement signals can be effected in a manner known per se, depending on the respective modulation frequency:
  • the measuring unit comprises at least a first bandpass filter for the first modulation frequency.
  • the measuring unit additionally has a second bandpass filter for the second modulation frequency, so that the separation of the measuring signals takes place by means of the bandpass filter.
  • the measuring signals are separated by means of a Fourier transformation, particularly preferably by means of a fast Fourier transformation (FFT).
  • the measuring unit is therefore preferably designed for carrying out a Fourier transformation, in particular FFT, of the measuring signals.
  • the separation of the measurement signals depending on the respective modulation frequency in a conventional manner is preferably provided per se known phase filter so that separately on the one hand only portions of the measuring beam with the first phase and on the other hand only portions of the measuring beam evaluated in the second phase.
  • the device according to the invention of the method according to the invention is suitable for the spectrally resolved measurement of an object, in particular of photoelectric objects such as light sensors.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are suitable for the spectrally resolved measurement of a photovoltaic solar cell, in particular for determining the external and / or internal quantum efficiency of a photovoltaic solar cell.
  • the basic structure of a device for determining the quantum efficiency and for carrying out a corresponding measuring method is known per se, in particular from M.A. Green, "Solar Cells - Operating Principles, Technology and System Applications", Prentice-Hall, Inc, (spectral response: pp 98-100, Bernhard Fischer, "Loss Analysis of crystalline silicon solar cells using photoconductance and quantum efficiency measurements", Ph.D. , University of Konstanz, 2003, pp. 39-46 and Carsten Hampe, "Investigation of influen owned and diffused pn transitions of terrestrial and thermophotovoltaic silicon solar cells", VDI-Verlag, VDI series 9 No. 352 (2002), pp. 56-60.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are designed analogously to those in one or more of the sources cited here, wherein the light modulator unit is designed as described above or the light modulation is carried out as described above.
  • the device according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for use within a process line in the production of the solar cell for routine characterization.
  • the light modulator unit can be designed differently.
  • the light modulator unit can be designed to be reflective, for example as a micromirror unit as described above or as a transmitted-light unit.
  • the light modulator unit can be designed to be reflective, for example as a micromirror unit as described above or as a transmitted-light unit.
  • optical displays which can be controlled similar to a screen, so that individual "pixels", ie in approximately rectangular portions of the display optionally optically transparent or optically opaque can be switched already commercially available elements such as the afore-mentioned transmitted-light displays a light modulator unit can be realized in a simple manner the.
  • the spectral sub-beams are preferably each imaged onto a column of pixels, so that a modulation of this spectral sub-beam is possible in a simple manner by appropriately driving the pixels of this column.
  • the reflection angles of the micromirrors can be changed in such a way that this equates to switching on or off of a spectral sub-beam or of a partial region of a spectral sub-beam, since typically only in a defined position of the micromirror the reflected spectral sub-beam is correspondingly converted into the optical beam path of the measuring beam is reflected, wherein in other positions of the associated micromirror of the spectral sub-beam is reflected to another location of the device which acts as a beam catcher.
  • micromirror units or transmitted light units as described above is advantageously suitable for approximately sinusoidal intensity modulation:
  • Each spectral sub-beam is in this case preferably imaged with an approximately homogeneous intensity onto a respective column of the transparency unit or the micromirror unit.
  • a part of the elements can be switched in such a way that this subarea of the spectral sub-beam is imaged into the beam path which leads to the measuring beam and the respectively remaining subarea is not imaged into the measuring beam.
  • the intensity of this spectral sub-beam can thus be varied in a simple manner, in particular in a simple manner, varied approximately sinusoidally with a predetermined modulation frequency.
  • this method is applied in a preferred, simplified form, wherein the phase position of the individual modulation components with a weighting function, preferably a sine function, frequency-dependent (ie, depending on the modulation frequency) is weighted.
  • phase position of each modulation component is given by the selected drive of the light modulator unit and thus known, it is still possible the phase of each To use modulation component for coding, ie to separate the influence of each spectral sub-beam on the measurement result based on the phase position.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device according to the invention, in which the dismantling unit comprises an optical grating,
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a device according to the invention, in which the dismantling unit comprises two optical gratings,
  • FIG 3 shows a third embodiment in which the light modulator unit is formed as a transmitted light unit 4a and
  • FIG. 4 shows in the partial images 4a and 4b exemplary representations for the sinusoidal intensity modulation of a spectral sub-beam by means of the transmitted-light unit 4a according to FIG.
  • the device according to the invention according to FIG. 1 is used for spectrally resolved measurement, in particular determination of the external quantum efficiency of a photovoltaic solar cell S.
  • the device has a light source L designed as a xenon lamp.
  • the output beam 5 generated by the light source L is coupled into a housing G, in which housing G an optical decomposition unit and an optical light modulator unit are arranged.
  • the optical decomposition unit is used for the spectral decomposition of the output beam 5 and has concave parabolic mirrors 3 and an optical grating 2.
  • the output beam 5 initially strikes a first parabolic mirror 3, which serves as a collimator, so that the output beam is incident on the optical grating 2 substantially parallelized.
  • the optical grating 2 is designed such that a spectral decomposition of the output beam takes place.
  • the spectrally decomposed output beam is imaged onto a light modulator unit designed as a micromirror unit 4.
  • micromirror unit 4 By means of the micromirror unit 4 there is a modulation with a modulation frequency and modulation phase, wherein different micromirrors are each modulated with a different frequency, so that beam splitters, which impinge on the micromirror unit 4 at different locations, are correspondingly modulated with different modulation frequencies.
  • the spectral sub-beams generated by means of the optical grating 2 are each assigned a different modulation type in a simple manner.
  • the reflected and modulated at the micromirror unit 4 spectral sub-beams are again imaged via the second parabolic mirror 3 on the optical grating 2 and thereby combined into a beam, which in turn about the first parabolic mirror 3 and a deflection mirror U, which is designed as a planar mirror to a measuring beam output passed, so that the measuring beam 6 hits the solar cell S.
  • the second embodiment shown in Figure 2 two optical grating 2A and 2B.
  • the output beam 5 generated by the light source L is collimated by a first parabolic mirror 3A on the first optical grating 2A and there spectrally decomposed as described above and imaged via a second parabolic mirror 3B formed on the micro-mirror unit 4 light modulator unit.
  • the spectral sub-beams reflected at the micromirror unit 4 and frequency-modulated are imaged via a further parabolic mirror 3C onto a second optical grating 2B, brought together by this into a beam and deflected via a fourth parabolic mirror 3D onto a deflection mirror U, finally as a measuring beam 6 onto the measuring element 6 Solar cell S to impose.
  • the main difference in the use of an optical grating according to the first embodiment or two optical grids according to the second embodiment is that in the embodiment with a grating the cost factor for coupling and decoupling as well as the spectral decomposition of the measuring beam is reduced by half. In contrast, in the embodiment by means of two optical grating a simpler and independent adjustment of the incident and exiting measuring beam is made possible.
  • FIG. 2 it can further be seen that by means of the first optical grating 2A the input beam 5 is split into a plurality of spectral sub-beams (only two shown for ease of illustration) which cover different surface areas of the second parabolic mirror 3B:
  • a first spectral sub-beam covers the area F1 and one second spectral sub-beam from the surface area F2.
  • the first spectral sub-beam is imaged on a point P1 and thus a first micromirror on the micromirror unit 4 and the second spectral sub-beam on a point P2 and thus a second micromirror on the micromirror unit 4.
  • FIGS. 1 and 2 only two spectral sub-beams are shown for ease of illustration. However, typical embodiments have a multiplicity, for example 100 spectral sub-beams, which are correspondingly imaged on 100 different micromirrors and modulated with 100 mutually different modulation frequencies. In the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 and 2, the half-width of each spectral sub-beam is 1 nm. The spectral sub-beams have different maxima in pairs, the maxima covering a frequency range from 200 Hz to 2 kHz approximately equidistantly.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment, which in many aspects corresponds to the exemplary embodiment in FIG. To avoid repetition Therefore, only the essential differences should be discussed below:
  • the light modulator unit of the embodiment according to FIG. 3 is designed as a transmitted-light unit 4 a, in the present case as a matrix display having a plurality of rectangular display elements which are arranged in a matrix, i. H. are arranged in rows and columns as in known per se screens.
  • Each individual rectangle (a "pixel" of the transparency unit) can optionally be switched to transparent or non-transparent by means of a control unit, thus resulting in a beam path deviating from that shown in Figure 2, since the beams are not reflected at the light modulator unit but selectively penetrate it of this difference in the optical beam path, the basic structure of the device according to Figure 2 and Figure 3 is the same.
  • the light modulator unit can also be designed as a pure line modulator (in particular as a linear arrangement of modulation elements). Possible here are z. B. also controllable diffraction gratings (eg a Grating Light Valve - GLV ® of Silicon Light Machines, "GLV" is protected as a trademark, inter alia, as a Community Trademark 001931 138 Silicon Light Machines).
  • a Grating Light Valve - GLV ® of Silicon Light Machines "GLV” is protected as a trademark, inter alia, as a Community Trademark 001931 138 Silicon Light Machines.
  • the solar cell S according to FIG. 3 is connected in an electrically conductive manner to an evaluation unit known per se, which thus in particular receives current and voltage measured values and separates them depending on the selected modulation types.
  • a comparative device is also used in the embodiments illustrated in FIG. 1 and FIG.
  • the transmitted light unit 4a in FIG. 3 is used in each case to carry out an approximately sinusoidal modulation of the intensity in the individual spectral sub-beams. This will be explained in more detail below with reference to the subfigures 4a and 4b of FIG. 4:
  • FIG. 4a schematically shows a plan view of the transmitted-light unit 4a of FIG. 3. Rectangularly, in a matrix-like manner in rows and columns, are shown here are arranged, shown.
  • a white rectangle here means an optically transparent rectangle
  • a black rectangle exemplarily represents a non-transparent rectangle.
  • typical exemplary embodiments are implemented with a plurality of spectral sub-beams, for example 100 spectral sub-beams.
  • the top view of the transparency unit 4a would have a plurality of columns, for example 100 columns.
  • the transmitted-light unit it is advantageous for the transmitted-light unit to have a plurality of lines, for example 100 lines, for finely differentiated intensity modulation. In the partial images of FIG. 4, only a smaller number of rows and columns is shown for better representability.
  • the transmitted-light unit 4 a is arranged such that in each case a spectral sub-beam is imaged approximately on each column.
  • a spectral sub-beam is imaged approximately on each column.
  • the fourth column see the black arrow in FIG. 4a
  • this spectral sub-beam would not be contained in the measuring beam 6 at this stage.
  • the imaging of the spectral sub-beams on a column is approximately homogeneous in terms of intensity. Thus, if only a part of the elements of a column is switched to be opaque, the intensity of this spectral sub-beam is correspondingly reduced.
  • FIG. 4a shows in the fourth column a state in which four pixels (two outer pixels in each case) are transparent and five inner pixels are not switched transparent.
  • the associated spectral sub-beam will thus be contained in the measuring beam 6 only with an intensity of approximately 4/9 relative to the original intensity.
  • FIG. 4b shows how an approximately sinusoidal modulation can be achieved.
  • the fourth column of the transmitted light unit 4a is shown in each case, but adjacent to each other at different times.
  • an increasing number of pixels is successively switched in each case in the center, so that the remaining outer pixels are in each case switched to be transparent.
  • Upon reaching the completely intransparent switched column is now again decreasing each one pixel switched transparent at the edges until finally only a central pixel is switched to opaque. This process is repeated cyclically and timed in such a way that a sinusoidal modulation of the intensity of this spectral sub-beam takes place approximately (ie stepwise approximated).
  • a comparatively sinusoidal modulation takes place in all columns of the transmitted light unit 4a, but with different frequencies.
  • the measurement beam 6 contains the original spectral composition, but the spectral sub-beams are modulated with respect to their intensity with different frequencies, so that the measurement signal of the solar cell S can be separated, for example via a Fourier transformation or similar methods with respect to these modulation frequencies, so that spectrally resolved measurement data can be separated and evaluated to each of the spectral sub-beams.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine spektral aufgelöste Vermessung eines Objekts, mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines breitbandigen Ausgangsstrahls, einer optischen Zerlegeeinheit zum spektralen Zerlegen des Ausgangsstrahls in mindestens einen ersten und einen zweiten Spektralteilstrahl, einer Lichtmodulatoreinheit zur Modulation des ersten und zweiten Spektralteilstrahls und einer optischen Zusammenführeinheit zum Zusammenführen der modulierten Spektralteilstrahlen zu einem Messstrahl, sowie mit einer Messeinheit zum Aufnehmen von Messsignalen des mit dem Messstrahl beaufschlagten Objekts. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtmodulatoreinheit ausgebildet ist, den ersten Spektralteilstrahl mit einer ersten Modulationsart und den zweiten Spektralteilstrahl mit einer zweiten Modulationsart zu modulieren, wobei erste und zweite Modulationsart unterschiedlich sind und dass die Messeinheit ausgebildet ist, erste Messsignale, welche mit der ersten Modulationsart moduliert sind und zweite Messsignale, welche mit der zweiten Modulationsart moduliert sind zu separieren.

Description

Vorrichtung und Verfahren für eine spektral
aufgelöste Vermessung eines Objekts
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine spektral aufgelöste Vermessung eines Objekts gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 1 1.
Zur spektral aufgelösten Charakterisierung von Objekten, insbesondere von Photosensoren oder photovoltaischen Solarzellen wird typischerweise das Objekt mit Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen beaufschlagt und für jede Wellenlänge separat eine Messung durchgeführt.
Typische Messverfahren sehen hierbei vor, sequentiell Strahlung mit nur einer Wellenlänge bzw. in einem engen Frequenzbereich auf das zu vermessende Objekt zu leiten und die gewünschte Messung durchzuführen. Solche Messverfahren haben den Nachteil, dass für eine Vielzahl von separaten Wellenlängen, an welchen eine Messung durchgeführt werden soll, eine erhebliche Gesamtmessdauer notwendig ist. So sind bei photovoltaischen Solarzellen Messverfahren zur Bestimmung der externen Quanteneffizienz (EQE) bekannt, bei welchen die Solarzelle zeitlich aufeinanderfolgend mit unterschiedlichen Wellenlängen typischerweise im Bereich von 250 nm bis 2.5 pm beaufschlagt wird. Solche Messverfahren nehmen typischerweise jedoch mindestens 20 Minuten Gesamtmessdauer in Anspruch.
Um die Qualität des Messsignals zu erhöhen, ist es bekannt, den Messstrahl mit einer Modulationsfrequenz zu modulieren und das Messsignal hinsichtlich der Modulationsfrequenz in an sich bekannter Weise zu filtern, beispielsweise mittels eines Bandpassfilters oder Fourier-Transformation. Ein solcher Aufbau ist beispielweise in US 8,436,630 beschrieben.
Es ist weiterhin bekannt, die Strahlung mittels einer breitbandigen Lichtquelle, insbesondere einer Halogenlampe oder Xenonlampe, zu erzeugen und über eine optische Zerlegeeinheit wie beispielsweise einen Gittermonochromator einen Messstrahl mit der jeweils gewünschten Wellenlänge zu erzeugen. Ebenso ist der Einsatz einer Mikrospiegeleinheit zur Beeinflussung des Spektrums des Messstrahls aus US 8,436,630 bekannt.
Zur Beschleunigung solcher spektral aufgelöster Messungen ist aus
US 8,299,416 B2 bekannt, Licht mehrerer schmalbandiger Leuchtdioden mit unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig auf das Messobjekt zu leiten, wobei jede Wellenlänge mit einer speziellen Frequenz moduliert wird, so dass aus dem Gesamtmesssignal über entsprechende Bandpassfilter das Messsignal für jede Wellenlänge separiert werden kann. Hierdurch kann somit gleichzeitig, d. h. ohne sequentielle hintereinandergeschaltete Messung der verschiedenen Wellenlängen eine spektral aufgelöste Messung erfolgen, wodurch sich die Gesamtmessdauer erheblich verringert.
Nachteilig hierbei ist, dass die Emission der Leuchtdioden mit steigender Wellenlänge immer breitbandiger wird und somit die spektrale Auflösung mit steigender Wellenlänge sinkt. Darüber hinaus sinkt die Effizienz von Leuchtdioden insbesondere für Wellenlängen über 1000 nm ab, so dass nur ein begrenztes Spektrum mit dieser Methode vermessen werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren zur spektral aufgelösten Vermessung eines Objekts zu verbessern, um über einen größeren Frequenzbereich eine spektralaufgelöste Vermessung mit verringerter Gesamtmessdauer zu ermöglichen.
Gelöst ist diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 1 1. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung finden sich in den Ansprüchen 2 bis 10 und des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Ansprüchen 12 bis 16. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon, ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise zur Durchführung mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere einer bevorzugten Ausführungsform hiervon ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung für eine spektral aufgelöste Vermessung eines Objekts weist eine Lichtquelle zum Erzeugen eines breitbandigen Ausgangsstrahls auf, sowie eine optische Zerlegeeinheit zum spektralen Zerlegen des Ausgangsstrahls in mindestens einen ersten und einen zweiten Spektralteilstrahl, eine Lichtmodulatoreinheit zur Modulation des ersten und zweiten Spektralteilstrahls und eine optische Zusammenführeinheit zum Zusammenführen der modulierten Spektralteilstrahlen zu einem Messstrahl.
Wesentlich ist, dass die Lichtmodulatoreinheit dazu ausgebildet ist, den ersten Spektralteilstrahl mit einer ersten Modulationsart und den zweiten Spektralteilstrahl mit einer zweiten Modulationsart zu modulieren, wobei erste und zweite Modulationsart unterschiedlich sind. Die Messeinheit ist entsprechend ausgebildet, erste Messsignale, welche mit der ersten Modulationsart moduliert sind und zweite Messsignale, welche mit der zweiten Modulationsart moduliert sind, zu separieren.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass die Kombination einer breitbandigen Lichtquelle mit einer Lichtmodulatoreinheit, welche dazu verwendet wird, verschiede Spektralteilstrahlen mit unterschiedlichen Modulationsarten zu modulieren, erhebliche Vorteile gegenüber vorbekannten Vorrichtungen zur spektralaufgelösten Vermessung von Objekten bietet: Die Verwendung einer breitbandigen Lichtquelle ermöglicht die Vermessung über ein breites Spektrum, da insbesondere an sich bekannte Xenonlampen oder Halogenlampen eingesetzt werden können, welche ein erheblich breiteres Spektrum abdecken, verglichen mit handelsüblich erhältlichen Leuchtdioden.
Weiterhin wird durch die gleichzeitige Beaufschlagung des Objekts mit mindestens zwei unterschiedlich modulierten Teilspektren die Messzeit gegenüber vorbekannten Vorrichtungen mit Xenon- oder Halogenlampen erheblich verkürzt.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gegenüber vorbekannten Vorrichtungen mit durchstimmbaren Lichtquellen wie beispielsweise durch- stimmbaren Lasern erheblich kostengünstiger herstellbar. Das erfindungsgemäße Verfahren zur spektral aufgelösten Vermessung eines Objekts umfasst folgende Verfahrensschritte:
In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Erzeugen eines breitbandigen Ausgangsstrahls und ein spektrales Zerlegen des Ausgangsstrahls in mindestens einen ersten und einen zweiten Spektralteilstrahl. In einem Verfahrensschritt B erfolgt die Modulation des ersten und zweiten Spektralteilstrahls mittels einer Lichtmodulatoreinheit. In einem Verfahrensschritt C erfolgt ein Zusammenführen des ersten und zweiten Spektralteilstrahls zu einem Messstrahl. In einem Verfahrensschritt D erfolgt ein Beaufschlagen des Objekts mit dem Messstrahl und in einem Verfahrensschritt E erfolgt ein Messen eines Messsignals des Objekts.
Wesentlich ist nun, dass in Verfahrensschritt B der erste Spektralteil mit einer ersten Modulationsart und der zweite Spektralteil mit einer zweiten Modulationsart moduliert werden, wobei erste und zweite Modulationsart unterschiedlich sind. Weiterhin wird in Verfahrensschritt E das Messsignal bearbeitet, indem erste Messsignale, welche mit der ersten Modulationsart moduliert sind und zweite Messsignale, welche mit der zweiten Modulationsart moduliert sind, separiert werden.
Vorzugsweise erfolgt die Modulation durch eine Frequenzmodulation, indem der erste Spektralteil mit einer ersten Modulationfrequenz und der zweite Spektralteil mit einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert werden, wobei erste und zweite Modulationsfrequenz unterschiedlich sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mehrere Spektralanteile mit Frequenzen beliebiger Phase moduliert werden können.
In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform erfolgt die Modulation durch eine Phasenmodulation, indem der erste Spektralteil mit einer ersten Phasenänderung und der zweite Spektralteil mit einer zweiten Phasenänderung moduliert werden, wobei erste und zweite Phasenänderung unterschiedlich sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mehrere Spektralteile mit gleicher Modulationsfrequenz über deren Phasenversatz aufgelöst werden können. Insbesondere wird bevorzugt der erste Spektralteil zu einer ersten Phase und der zweite Spektralteil zu einer zweiten Phase moduliert, wobei erste und zweite Phase unterschiedliche sind. Die Phasen unterscheiden sich hierbei hinsichtlich ihrer Phasenorientierung.
Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl die Frequenz, als auch die Phase der Spektralteile zu modulieren. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass trotz physikalischer Begrenzungen des nutzbaren Frequenzraums, wie beispielsweise der Reaktionsträgheit des zu charakterisierenden Objekts, über den Phasenraum eine weitere Modulationsdiversifizierung zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereits genannten Vorteile auf, insbesondere, da durch die Verwendung eines breitbandigen Ausgangsstrahls, welcher bevorzugt mittels einer breitbandigen Lichtquelle wie insbesondere einer Xenonlampe oder Halogenlampe erzeugt wird, ein breites Spektrum abgedeckt werden kann und eine gleichzeitige Beaufschlagung des Objekts mit dem erstem und dem zweiten Spektralanteil erfolgt.
Es ist somit auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine sequentielle Messung zuerst mit dem ersten Spektralanteil und anschließend mit dem zweiten Spektralanteil notwendig, da trotz der gleichzeitigen Messung aufgrund der unterschiedlichen Modulationsarten erste Messsignale, welche insbesondere durch Beaufschlagung mit dem ersten Spektralanteil begründet sind und zweite Messsignale, welche insbesondere durch Beaufschlagung mit dem zweiten Spektralanteil begründet sind, separiert werden können.
Erster und zweiter Spektralteilstrahl unterscheiden sich hinsichtlich ihrer spektralen Zusammensetzung. Die Spektralstrahlen weisen vorzugsweise nur einen geringen Wellenlängenbereich (d.h. nur eine geringe Frequenzbreite) auf, insbesondere besitzt jeder Teilstrahl bevorzugt eine spektrale Halbwertsbreite gleich der minimalen Halbwertsbreite, bevorzugt kleiner der minimalen Halbwertsbreite der zu untersuchenden spektralen Eigenschaften des Objekts. Entsprechende Halbwertsbreiten liegen vorzugsweise im Bereich 100 nm bis 0.1 nm.
Um eine möglichst umfangreiche Charakterisierung zu ermöglichen, wird der Ausgangsstrahl vorzugsweise in eine Vielzahl von Spektralteilstrahlen zerlegt, bevorzugt mindestens zehn Spektralteilstrahlen, insbesondere mindestens 20 Spektralteilstrahlen, insbesondere bevorzugt im Bereich 20 bis 50 Spektralteilstrahlen, und entsprechend erfolgt eine Separierung der Messsignale für jeden der Spektralsteilstrahlen.
Vorzugsweise überlappen die Spektralteilstrahlen einander hinsichtlich der Wellenlängen nicht, d. h. jede Wellenlänge ist maximal einem Spektralteilstrahl zugeordnet. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass eine geringfügige Überlappung der Teilspektren der Spektralteilstrahlen vorliegt.
Die Zerlegeeinheit dient zum spektralen Zerlegen des Ausgangsstrahls. Sie kann beispielsweise ein optisches Prisma umfassen. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Zerlegeeinheit ein optisches Gitter umfasst. Ein optisches Gitter weist den Vorteil auf, dass die Dispersion des spektral zerlegten Lichts linear ist. Aufgrund dieser Linearität wird eine einfacher mechanische Justage der Gitters gegenüber eines Prismas, bei dem die Dispersion nicht-linear erfolgt, ermöglicht. Darüber hinaus ist ein Gitter im Vergleich zu einem Prisma kostengünstiger.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das optische Gitter und die Lichtmodulatoreinheit derart zusammenwirkend ausgebildet und angeordnet sind, dass der mittels des optischen Gitters spektral zerlegte Ausgangsstrahl auf die Lichtmodulatoreinheit trifft und die zumindest zwei modulierten Spektralteilstrahlen wieder auf dieses Gitter auftreffen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass lediglich ein optisches Gitter verwendet werden muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Zerlegeeinheit zumindest ein erstes und ein zweites optisches Gitter auf, welche derart mit der Lichtmodulatoreinheit zusammenwirkend ausgebildet und angeordnet sind, dass der mittels des ersten Gitters spektral zerlegte Ausgangsstrahl auf die Lichtmodulatoreinheit trifft und die zumindest zwei modulierten Spektralteilstrahlen auf das zweite Gitter auftreffen.
Vorzugsweise weist die Zerlegeeinheit einen Kollimator und ein dispersives Element auf, um den Ausgangsstrahl kollimiert auf das dispersive Element abzubilden. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachter geometrischer Aufbau. Insbe- sondere ist es hierbei vorteilhaft, dass der Kollimator einen konkaven Spiegel, bevorzugt einen Parabolspiegel umfasst. Solche Spiegel können kostengünstig handelsüblich erworben werden.
Wie bereits zuvor ausgeführt, sind Zerlegeeinheit und Lichtmodulatoreinheit bevorzugt derart zusammenwirkend ausgebildet, dass mindestens zehn, bevorzugt mindestens 20, weiter bevorzugt mindestens 80, insbesondere mindestens 100 Spektralteilstrahlen mit unterschiedlichen Modulationsarten modulierbar sind. Auf diese Weise kann gleichzeitig eine spektral hochaufgelöste Messung vorgenommen werden. Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, dass die Modulationsarten paarweise verschieden sind.
Bei Modulierung mittels einer Modulationsfrequenz kann das Separieren der Messsignale abhängig von der jeweiligen Modulationsfrequenz kann in an sich bekannter Weise erfolgen:
So liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Messeinheit zumindest einen ersten Bandpassfilter für die erste Modulationsfrequenz umfasst. Vorteilhafterweise weist die Messeinheit zusätzlich einen zweiten Bandpassfilter für die zweite Modulationsfrequenz auf, so dass das Separieren der Messsignale mittels der Bandpassfilter erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Separieren der Messsignale mittels einer Fouriertransformation, insbesondere bevorzugt mittels einer Fast-Fouriertransformation (FFT). Die Messeinheit ist daher vorzugsweise zur Durchführung einer Fouriertransformation, insbesondere FFT, der Messsignale ausgebildet.
Bei Modulierung mittels einer Phasenmodulation kann das Separieren der Messsignale abhängig von der jeweiligen Modulationsfrequenz in an sich bekannter Weise erfolgen: Es werden bevorzugt an sich bekannte Phasenfilter vorgesehen, so dass separat einerseits nur Anteile des Messstrahls mit der ersten Phase und andererseits nur Anteile des Messstrahls mit der zweiten Phase ausgewertet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zur spektral aufgelösten Vermessung eines Objekts geeignet, insbesondere von photoelektrischen Objekten wie beispielsweise Lichtsensoren. Insbesondere sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur spektral aufgelösten Vermessung einer photovoltaischen Solarzelle geeignet, insbesondere zur Bestimmung der externen und/oder internen Quanteneffizienz einer photovotalischen Solarzelle.
Der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung zur Bestimmung der Quanteneffizient und zur Durchführung eines entsprechenden Messverfahrens ist an sich bekannt, insbesondere aus M.A. Green, "Solar Cells - Operating Principles, Technology and System Applications", Prentice-Hall, Inc, (spectral response: pp 98 - 100, Bernhard Fischer,„Loss Analysis of crystalline Silicon solar cells using photoconductance and quantum efficiency measurements", Dissertation, Universität Konstanz, 2003, S. 39-46 und Carsten Hampe, "Untersuchung influenzier- ter und diffundierter pn-Übergänge von Terrestrik- und Thermophotovoltaik- Siliciumsolarzellen", VDI-Verlag, VDI Reihe 9 Nr. 352 (2002), pp. 56 - 60. Vorzugsweise sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung analog zu den in einer oder mehrere der hier zitierten Quellen ausgebildet, wobei die Lichtmodulatoreinheit wie zuvor beschrieben ausgebildet ist, bzw. die Lichtmodulation wie zuvor beschrieben erfolgt.
Aufgrund der hohen Messgeschwindigkeit sind die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Verwendung innerhalb einer Prozesslinie bei der Herstellung der Solarzelle zur routinemäßigen Charakterisierung geeignet.
Die Lichtmodulatoreinheit kann unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere kann die Lichtmodulatoreinheit reflektierend, beispielsweise als Mikrospie- geleinheit wie zuvor beschrieben oder als Durchlichteinheit ausgebildet sein. Es sind im Handel eine Vielzahl von optischen Displays erhältlich, welche ähnlich wie ein Bildschirm angesteuert werden können, so dass einzelne„Pixel", d. h. in etwa rechteckige Teilbereiche des Displays wahlweise optisch transparent oder optisch intransparent geschaltet werden können. Mit solchen Durchlichteinheiten kann somit mit bereits käuflich erwerbbaren Elementen wie den vorgenannten Durchlicht-Displays eine Lichtmodulatoreinheit in einfacher Weise realisiert wer- den. Vorzugsweise werden hierbei die Spektralteilstrahlen jeweils auf eine Spalte von Pixeln abgebildet, so dass durch entsprechendes Ansteuern der Pixel dieser Spalte eine Modulation dieses Spektralteilstrahls in einfacher Weise möglich ist. Bei Verwendung von Mikrospiegeleinheit können die Reflektionswinkel der Mikrospiegel derart verändert werden, dass dies einem Ein- bzw. Ausschalten eines Spektralteilstrahls oder eines Teilbereichs eines Spektralteilstrahls gleichkommt, da nur in einer definierten Stellung des Mikrospiegels typischerweise der reflektierte Spektralteilstrahl entsprechend in den optischen Strahlengang des Messstrahls überführt wird, wobei in anderen Stellungen des zugeordneten Mikrospiegels der Spektralteilstrahl an eine andere Stelle der Vorrichtung, welche als Strahlfänger fungiert, reflektiert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, die Intensität der Spektralteilstrahlen in etwa sinusförmig mit einer Modulationsfrequenz zu modulieren, wobei unterschiedliche Spektralteilstrahlen mit unterschiedlichen in etwa sinusförmigen Modulationsfrequenzen moduliert werden. Hierdurch ist eine genauere Auswertung möglich, da harmonische Komponenten der jeweiligen intensitätsmodulierten Spektralteilstrahlen reduziert werden.
Insbesondere die Verwendung von Mikrospiegeleinheiten oder Durchlichteinhei- ten wie zuvor beschrieben eignet sich vorteilhaft zur in etwa sinusförmigen Intensitätsmodulation:
Jeder Spektralteilstrahl wird hierbei bevorzugt mit in etwa homogener Intensität auf jeweils eine Spalte der Durchlichteinheit bzw. der Mikrospiegeleinheit abgebildet. Nun kann innerhalb einer Spalte ein Teil der Elemente derart geschaltet werden, dass dieser Teilbereich des Spektralteilstrahls in den Strahlengang, welcher zu dem Messstrahl führt, abgebildet wird und der jeweils verbleibende Teilbereich nicht in den Messstrahl abgebildet wird. Durch Variation dieser Teilbereiche kann somit die Intensität dieses Spektralteilstrahls in einfacher Weise variiert werden, insbesondere in einfacher Weise in etwa sinusförmig mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz variiert werden. Weiterhin ist es hierdurch in einfacher Weise möglich, die unterschiedlichen Spektralteilstrahlen (d. h. die unterschiedlichen Spalten der Mikrospiegeleinheit bzw. der Durchlichteinheit) jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen zu modulieren, so dass im Ergebnis die Intensität jedes Spektralteilstrahls mit einer unterschiedlichen Frequenz mo- duliert ist und entsprechend im Messergebnis ein einfache Separation beispielsweise durch Fourieranalyse hinsichtlich des Einflusses der unterschiedlicher Spektralteilstrahlen erfolgen kann.
Untersuchungen des Anmelders haben weiterhin ergeben, dass insbesondere bei Modulation der Spektralteilstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen, beispielsweise Modulation der Intensitäten jedes Spektralteilstrahls mit jeweils einer spezifischen Intensitäts-Modulationsfrequenz, es durch Superposition mehrerer Signale unterschiedlicher Frequenzen, insbesondere bei einem geringen Frequenzunterschied, zu Interferenzerscheinungen kommen kann. Hierdurch kann sich ein unerwünschter Effekt ergeben, der zu einem hohen Scheitelfaktor („crest-factor") führt. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher ein solch erhöhter Scheitelfaktor vermieden bzw. reduziert, indem die Phasenlagen der einzelnen Modulationskomponenten abhängig von zu erwartenden Amplitudenspektrum variiert werden. Die hier zugrunde liegenden Methoden sind auf einem anderen technischen Gebiet bereits bekannt: In der Nachrichtentechnik wurde das Problem hoher Scheitelfaktoren aufgrund von Signalen unterschiedlicher Frequenz mit geringem Frequenzunterschied und entsprechenden Interferenzerscheinungen bereits analysiert und es wurden mehrere Methoden zur Beeinflussung der Phasenlage der einzelnen Modulationskomponenten (vorliegend die Phasenlage der Modulationsfrequenzen zueinander) vorgeschlagen, welche zu einer Reduktion eines solchen Scheitelfaktors führen. Vorzugsweise werden daher eine oder mehrere aus der Nachrichtentechnik bekannte Methoden zur Beeinflussung der Phasenlagen der Modulationskomponenten bei dem vorliegenden Verfahren angewandt, um den Scheitelfaktor zu reduzieren bzw. eine Erhöhung des Scheitelfaktors zu vermeiden. Solche Verfahren sind beispielsweise in (H. Nikookar, K. S. Lidsheim, "PAPR reduction of OFDM by random phase updating", 13th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, vol. 2, pp. 814-818, 2002) beschrieben. In der vorliegenden Erfindung wird dieses Verfahren in einer bevorzugten, vereinfachten Form angewandt, wobei die Phasenlage der einzelnen Modulationskomponenten mit einer Wichtungsfunktion, bevorzugt einer Sinusfunktion, frequenzabhängig (d.h. abhängig von der Modulationsfrequenz) gewichtet wird. Da die Information über die Phasenlage jeder Modulationskomponente durch die gewählte Ansteuerung der Lichtmodulatoreinheit vorgegeben wird und somit bekannt ist, ist es weiterhin möglich die Phase jeder Modulationskomponente zur Codierung zu heranzuziehen, d.h. den Einfluss jedes einzelnen Spektralteilstrahls auf das Messergebnis basierend auf der Phasenlage zu separieren.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen und bevorzugte Merkmale werden im Folgenden anhand der Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigt:
Figur 1 : ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welchem die Zerlegeeinheit ein optisches Gitter umfasst,
Figur 2: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welchem die Zerlegeeinheit zwei optische Gitter umfasst,
Figur 3: ein drittes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Lichtmodulatoreinheit als Durchlichteinheit 4a ausgebildet ist und
Figur 4: in den Teilbildern 4a und 4b beispielhafte Darstellungen zur sinusartigen Intensitätsmodulierung eines Spektralteilstrahls mittels der Durchlichteinheit 4a gemäß Figur 3.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Figur 1 dient zur spektral aufgelösten Vermessung, insbesondere Bestimmung der externen Quanteneffizienz einer photovoltaischen Solarzelle S. Die Vorrichtung weist eine als Xenonlampe ausgebildete Lichtquelle L auf. Der von der Lichtquelle L erzeugte Ausgangsstrahl 5 wird in ein Gehäuse G eingekoppelt, in welchem Gehäuse G eine optische Zerlegeeinheit und eine optische Lichtmodulatoreinheit angeordnet sind.
Die optische Zerlegeeinheit dient zum spektralen Zerlegen des Ausgangsstrahls 5 und weist konkave Parabolspiegel 3 sowie ein optisches Gitter 2 auf. Der Ausgangsstrahl 5 trifft zunächst auf einen ersten Parabolspiegel 3, welcher als Kollimator dient, so dass der Ausgangsstrahl im Wesentlichen parallelisiert auf das optische Gitter 2 auftrifft. Das optische Gitter 2 ist derart ausgebildet, dass eine spektrale Zerlegung des Ausgangsstrahls erfolgt. Über einen zweiten Parabolspiegel wird der spektral zerlegte Ausgangsstrahl auf eine als Mikrospie- geleinheit 4 ausgebildete Lichtmodulatoreinheit abgebildet. Mittels der Mikrospiegeleinheit 4 erfolgt eine Modulation mit einer Modulationsfrequenz und Modulationsphase, wobei unterschiedliche Mikrospiegel jeweils mit einer unterschiedlichen Frequenz moduliert werden, so dass Strahlteiler, welcher an unterschiedlichen Orten auf die Mikrospiegeleinheit 4 auftreffen entsprechend mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen moduliert werden.
Hierdurch werden in einfacher Weise die mittels des optischen Gitters 2 erzeugten Spektralteilstrahlen jeweils eine unterschiedliche Modulationsart zugeordnet.
Die an der Mikrospiegeleinheit 4 reflektierten und modulierten Spektralteilstrahlen werden wieder über den zweiten Parabolspiegel 3 auf das optische Gitter 2 abgebildet und hierdurch zu einem Strahl zusammengefasst, welcher wiederrum über den ersten Parabolspiegel 3 und einen Umlenkspiegel U, welcher als planarer Spiegel ausgebildet ist zu einem Messstrahlausgang geleitet, so dass der Messstrahl 6 auf die Solarzelle S trifft.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist einen grundsätzlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel vergleichbaren Aufbau auf. Im Folgenden soll zur Vermeidung von Wiederholungen daher nur auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen werden. Gleiche Bezugszeichen in Figur 1 und Figur 2 bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist das in Figur 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel zwei optische Gitter 2A und 2B auf. Der mittels der Lichtquelle L erzeugte Ausgangsstrahl 5 wird über einen ersten Parabolspiegel 3A auf das erste optische Gitter 2A kollimiert und dort wie zuvor beschrieben spektral zerlegt sowie über einen zweiten Parabolspiegel 3B auf die als Mikrospiegeleinheit 4 ausgebildete Lichtmodulatoreinheit abgebildet. Mittels der Mikrospiegeleinheit 4 erfolgt wie zuvor beschrieben eine Modulation der Spektralteilstrahlen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen. Die an der Mikrospiegeleinheit 4 reflektierten und frequenzmodulierten Spektralteilstrahlen werden jedoch über einen weiteren Parabolspiegel 3C auf ein zweites optisches Gitter 2B abgebildet, mittels diesen zu einem Strahl zusammengeführt und über einen vierten Parabolspiegel 3D auf einen Umlenkspiegel U abgelenkt um schließlich als Messstrahl 6 auf die zu vermessende Solarzelle S aufzutreffen. Der wesentliche Unterschied bei der Verwendung von einem optischen Gitter gemäß erstem Ausführungsbeispiel oder zwei optischen Gittern gemäß zweitem Ausführungsbeispiel liegt darin, dass bei der Ausführung mit einem Gitter der- Kostenfaktor zur Ein- und Auskopplung sowie der spektralen Zerlegung des Messstrahls um die Hälfte reduziert wird. Dagegen wird bei der der Ausführung mittels zweier optischer Gitter eine einfachere und unabhängige Justage des einfallenden und austretenden Messstrahls ermöglicht.
In Figur zwei ist weiterhin ersichtlich, dass mittels des ersten optische Gitters 2A der Eingangsstrahl 5 in mehrere Spektralteilstrahlen (zur einfacheren Darstellbarkeit sind lediglich zwei dargestellt) aufgeteilt wird, welche unterschiedliche Flächenbereiche des zweiten Parabolspiegels 3B abdecken: Ein erster Spektralteilstrahl deckt den Flächenbereich F1 und einer zweiter Spektralteilstrahl den Flächenbereich F2 ab. Hierdurch wird der erste Spektralteilstrahl auf einen Punkt P1 und somit einen ersten Mikrospiegel auf der Mikrospiegeleinheit 4 und der zweite Spektralteilstrahl auf einen Punkt P2 und somit einen zweiten Mikrospiegel auf der Mikrospiegeleinheit 4 abgebildet. In umgekehrter Reihenfolgt erfolgt dies ausgehend von der Mikrospiegeleinheit 4, über den Parabolspiegel 3C und das optische Gitter das optische Gitter 2, so dass die (nun unterschiedlich modulierten) Spektralteilstrahlen wieder zu einem optischen Strahl zusammengeführt werden.
In Figur 1 erfolgt die räumliche Aufteilung analog.
In den Figuren 1 und 2 sind zur einfacheren Darstellbarkeit lediglich zwei Spektralteilstrahlen dargestellt. Typische Ausführungsbeispiele weisen jedoch eine Vielzahl, beispielsweise 100 Spektralteilstrahlen auf, die entsprechend auf 100 verschiedene Mikrospiegel abgebildet und mit 100 paarweise verschiedenen Modulationsfrequenzen moduliert werden. Bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen Beträgt die Halbwertsbreite eines jeden Spektralteilstrahls 1 nm. Die Spektralteilstrahlen weisen hierbei paarweise verschiedene Maxima auf, wobei die Maxima einen Frequenzbereich von 200 Hz bis 2 kHz in etwa äquidistant abdecken.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches in vielen Aspekten dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 entspricht. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen nachfolgend daher lediglich auf die wesentlichen Unterschiede eingegangen werden:
Die Lichtmodulatoreinheit des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3 ist als Durchlichteinheit 4a ausgebildet, vorliegend als Matrixdisplay mit einer Vielzahl von rechteckigen Anzeigeelementen, welche in einer Matrix, d. h. in Zeilen und Spalten wie bei an sich bekannten Bildschirmen angeordnet sind. Jedes einzelne Rechteck (ein„Pixel" der Durchlichteinheit) kann mittels einer Steuereinheit wahlweise transparent oder nicht transparent geschaltet werden. Hierdurch ergibt sich somit ein zu Figur 2 abweichender Strahlengang, da die Strahlen an der Lichtmodulatoreinheit nicht reflektiert werden, sondern diese wahlweise durchdringen. Abgesehen von diesem Unterschied im optischen Strahlenverlauf ist der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung gemäß Figur 2 und Figur 3 jedoch gleich.
Alternativ kann die Lichtmodulatoreinheit auch als ein reiner Zeilenmodulator (insbesondere als eine lineare Anordnung von Modulationselementen) ausgebildet sein. Möglich sind hier z. B. auch steuerbare Beugungsgitter (z.B. ein Gräting Light Valve - GLV® der Silicon Light Machines;„GLV" ist als Marke geschützt, unter anderem als Gemeinschaftsmarke 001931 138 der Silicon Light Machines).
Die Solarzelle S gemäß Figur 3 ist elektrisch leitend mit einer an sich bekannten Auswerteeinheit verbunden, welche somit insbesondere Strom- und Spannungsmesswerte aufnimmt und diese abhängig von dem gewählten Modulationsarten separiert. Eine vergleichsweise Vorrichtung wird ebenfalls bei den in Figur 1 und Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispielen verwendet.
Die Durchlichteinheit 4a in Figur 3 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dazu verwendet, bei den einzelnen Spektralteilstrahlen jeweils eine in etwa sinusförmige Modulation der Intensität vorzunehmen. Dies wird nachfolgend anhand der Teilfiguren 4a und 4b der Figur 4 näher erläutert:
Figur 4a zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Durchlichteinheit 4a der Figur 3. Schematisch sind hier Rechtecke, welche matrixartig in Zeilen und Spalten angeordnet sind, dargestellt. Ein weißes Rechteck bedeutet hierbei ein optisch transparentes Rechteck, wohingegen ein schwarzes Rechteck beispielhaft ein nicht transparentes Rechteck darstellt. Wie bereits zuvor ausgeführt sind typische Ausführungsbeispiele mit einer Vielzahl von Spektralteilstrahlen, beispielsweise 100 Spektralteilstrahlen realisiert. Entsprechend würde auch die Draufsicht auf die Durchlichteinheit 4a eine Vielzahl von Spalten, beispielsweise 100 Spalten aufweisen. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Durchlichteinheit zur fein differenzierten Intensitätsmodulation eine Vielzahl von Zeilen, beispielsweise 100 Zeilen aufweist. In den Teilbildern der Figur 4 ist zur besseren Darstellbarkeit lediglich eine geringere Anzahl von Zeilen und Spalten dargestellt.
Die Durchlichteinheit 4a ist derart angeordnet, dass in etwa auf jede Spalte jeweils ein Spektralteilstrahl abgebildet wird. Wird somit beispielsweise die vierte Spalte (siehe schwarzer Pfeil in Figur 4a) komplett intransparent (schwarz) geschaltet, so würde dieser Spektralteilstrahl in diesem Stadium nicht im Messstrahl 6 enthalten sein. Die Abbildung der Spektralteilstrahlen auf eine Spalte erfolgt hinsichtlich der Intensität in etwa homogen. Wird somit lediglich ein Teil der Elemente einer Spalte intransparent geschaltet, so wird entsprechend die Intensität dieses Spektralteilstrahls verringert.
Beispielhaft ist in Figur 4a in der vierten Spalte ein Zustand dargestellt, bei welchem vier Pixel (jeweils zwei äußere Pixel) transparent und fünf innenliegende Pixel nicht transparent geschaltet sind. Der zugehörige Spektralteilstrahl wird somit lediglich mit einer Intensität von etwa 4/9 bezogen auf die ursprüngliche Intensität im Messstrahl 6 enthalten sein.
In Figur 4b ist dargestellt, wie eine angenähert sinusförmige Modulation erreicht werden kann. Hierzu ist jeweils die vierte Spalte der Durchlichteinheit 4a dargestellt, jedoch nebeneinanderliegend zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird somit sukzessive jeweils mittig eine ansteigende Anzahl von Pixeln nicht transparent geschaltet, wobei die verbleibenden äußeren Pixel jeweils transparent geschaltet sind. Bei Erreichen der vollkommen intransparent geschalteten Spalte wird nun wieder abnehmend jeweils an den Rändern ein Pixel transparent geschaltet, bis schließlich nur noch ein mittiges Pixel intransparent geschaltet ist. Dieser Ablauf wird zyklisch wiederholt und derart zeitlich gesteuert, dass in etwa (d. h. stufenartig angenähert) eine sinusförmige Modulation der Intensität dieses Spektralteilstrahls erfolgt.
Eine vergleichsweise sinusförmige Modulation erfolgt in allen Spalten der Durchlichteinheit 4a, jedoch mit unterschiedlichen Frequenzen. Im Ergebnis enthält der Messstrahl 6 die ursprüngliche spektrale Zusammensetzung, wobei jedoch die Spektralteilstrahlen hinsichtlich ihrer Intensität mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert sind, so dass das Messsignal der Solarzelle S beispielsweise über eine Fouriertransformation oder vergleichbare Verfahren hinsichtlich dieser Modulationsfrequenzen separiert werden kann, so dass spektral aufgelöste Messdaten zu jedem der Spektralteilstrahlen separiert und ausgewertet werden können.

Claims

Ansprüche
1 . Vorrichtung für eine spektral aufgelöste Vermessung eines Objekts,
mit einer Lichtquelle (L) zum Erzeugen eines breitbandigen Ausgangsstrahls, einer optischen Zerlegeeinheit zum spektralen Zerlegen des Ausgangsstrahls in mindestens einen ersten und einen zweiten Spektralteilstrahl, einer Lichtmodulatoreinheit zur Modulation des ersten und zweiten Spektralteilstrahls und einer optischen Zusammenführeinheit zum Zusammenführen der modulierten Spektralteilstrahlen zu einem Messstrahl, sowie mit einer Messeinheit zum Aufnehmen von Messsignalen des mit dem Messstrahl (6) beaufschlagten Objekts,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtmodulatoreinheit ausgebildet ist, den ersten Spektralteilstrahl mit einer ersten Modulationsart und den zweiten Spektralteilstrahl mit einer zweiten Modulationsart zu modulieren, wobei erste und zweite Modulationsart unterschiedlich sind und
dass die Messeinheit ausgebildet ist, erste Messsignale, welche mit der ersten Modulationsart moduliert sind und zweite Messsignale, welche mit der zweiten Modulationsart moduliert sind zu separieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerlegeeinheit ein optisches Prisma umfasst.
3. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerlegeeinheit ein optisches Gitter (2) umfasst,
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass optisches Gitter (2) und Lichtmodulatoreinheit derart zusammenwirkend ausgebildet und angeordnet sind, dass der mittels des Gitters spektral zerlegte Ausgangsstrahl (5) auf die Lichtmodulatoreinheit trifft und die zumindest zwei modulierten Spektralteilstrahlen wieder auf dieses Gitter auftreffen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerlegeinheit zumindest ein erstes und ein zweites optisches Gitter (2) aufweist, welche derart mit der Lichtmodulatoreinheit zusammenwirkend ausgebildet und angeordnet sind, dass der mittels des ersten Gitters spektral zerlegte Ausgangsstrahl (5) auf die Lichtmodulatoreinheit trifft und die zumindest zwei modulierten Spektralteilstrahlen auf das zweite Gitter auftreffen.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerlegeeinheit einen Kollimator und ein dispersives Element aufweist, um den Ausgangsstrahl (5) kollimiert auf das dispersive Element abzubilden, insbesondere, dass der Kollimator einen konkaven Spiegel, bevorzugt einen Parabolspiegel (3) umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zerlegeeinheit und Lichtmodulatoreinheit derart zusammenwirkend ausgebildet sind, dass mindestens 10, bevorzugt mindestens 20, weiter bevorzugt mindestens 30 Spektralteilstrahlen mit unterschiedlichen Modulationsarten, bevorzugt paarweise verschiedenen Modulationsarten modulierbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Modulationsart eine Frequenzmodulation ist, indem der erste Spektralteil mit einer ersten Modulationfrequenz und der zweite Spektralteil mit einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert werden, wobei erste und zweite Modulationsfrequenz unterschiedlich sind, insbesondere, dass die Messeinheit zumindest einen ersten Bandpassfilter für die erste Modulationsfrequenz, vorzugsweise zusätzlich einen zweiten Bandpassfilter für die zweite Modulationsfrequenz umfasst, insbesondere, dass die Messeinheit einen Lockln-Verstärker umfasst und/oder dass die Messein- heit zur Durchführung einer Fouriertransformation der Messsignale ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Modulationsart eine Phasenmodulation ist, indem der erste Spektralteil mit einer ersten Phasenänderung und der zweite Spektralteil mit einer zweiten Phasenänderung moduliert werden, wobei erste und zweite Phasenänderung unterschiedlich sind, insbesondere,
dass die Messeinheit zumindest einen ersten Phasenfilter für die erste Phasenänderung, vorzugsweise zusätzlich einen zweiten Phasenfilter für die zweite Phasenänderung umfasst,
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung zur Bestimmung der spektralen Empfindlichkeit eines optoelektronischen Elements, insbesondere einer Solarzelle (S) ausgebildet ist.
1 1. Verfahren spektral aufgelöste Vermessung eines Objekts, folgende Verfahrensschritte umfassend:
A Erzeugen eines breitbandigen Ausgangsstrahls und spektrales Zerlegen des Ausgangsstrahls in mindestens einen ersten und einen zweiten Spektralteilstrahl;
B Modulation des ersten und zweiten Spektralteilstrahls mittels einer Lichtmodulatoreinheit;
C Zusammenführen des ersten und zweiten Spektralteilstrahls zu einem Messstrahl;
D Beaufschlagen des Objekts mit dem Messstrahl (6) und
E Messen eines Messsignals des Objekts;
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt B der erste Spektralteil mit einer ersten Modulationsart und der zweite Spektralteil mit einer zweiten Modulationsart moduliert wird, wobei erste und zweite Modulationsart unterschiedlich sind und dass in Verfahrensschritt E des Messsignal bearbeitet wird, indem erste Messsignale, welche mit der ersten Modulationsart moduliert sind und zweite Messsignale, welche mit der zweiten Modulationsart moduliert sind separieren werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt E die ersten und zweiten Messsignale mittels mindestens eines Bandpassfilters, vorzugsweise mittels zumindest zweier Bandpassfilter separiert werden, insbesondere, dass das Separieren mittels eines Lockln-Verfahrens erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt E die ersten und zweiten Messsignale mittel Fouriertransformation separiert werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Verfahrensschritt A das spektrale Zerlegen des Ausgangsstrahls mittels eines optischen Gitters erfolgt, insbesondere, dass nach Modulation gemäß Verfahrensschritt B die beiden Spektralteilstrahlen wieder auf das optische Gitter auftreffen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine spektrale Empfindlichkeit des Objekts bestimmt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zumindest angenähert sinusförmige Modulation beider Spektralteilstrahle erfolgt, insbesondere, dass eine zumindest angenähert sinusförmige Simulation der Intensität beider Spektralteilstrahlen erfolgt.
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