WO2021255113A1 - Messsystem und verfahren zur vermessung von lichtquellen - Google Patents

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WO2021255113A1
WO2021255113A1 PCT/EP2021/066280 EP2021066280W WO2021255113A1 WO 2021255113 A1 WO2021255113 A1 WO 2021255113A1 EP 2021066280 W EP2021066280 W EP 2021066280W WO 2021255113 A1 WO2021255113 A1 WO 2021255113A1
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Frank Münchow
Stephanie GRABHER
Martin Finger
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Instrument Systems Optische Messtechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a measuring system for polarization-independent measuring of a light source, with a camera having a plurality of image sensors arranged in a matrix and with microscope optics.
  • the invention also relates to a method that uses such a measuring system.
  • Such measuring systems are used to measure light sources microscopically with the aid of the camera and - after suitable calibration - to determine the distribution of the absolute power of the light source.
  • the light source can in particular be an arrangement of VCSEL elements (vertical cavity surface emitting laser), for example in the form of a VCSEL matrix on a wafer.
  • the light emitted by the individual VCSEL elements is polarized, the direction of polarization being indefinite or changing over time.
  • the image sensors in known measuring systems that use CMOS cameras are polarization-dependent. The indeterminate polarization of the light to be measured can result in systematic errors of up to 10% when measuring the light output.
  • the depolarizers In order to cancel or reduce the polarization of light, there are various types of depolarizers that convert polarized light into unpolarized light.
  • the depolarizers have the disadvantage that they only function extremely inadequately because the light source has a spectrum that is too narrow, as a result of which a residual polarization is retained and / or due to birefringent ones Properties the required spatial resolution when measuring the incident light can no longer be obtained.
  • the invention proposes that a linear polarizer is assigned to each of the image sensors, the linear polarizers being arranged in a matrix in front of the image sensors and two or more, preferably four, polarizers forming a matrix block, with the transmission directions adjacent linear polarizers within a matrix block are rotated relative to one another, preferably by 45 ° or by 90 °.
  • the invention proposes a method for the polarization-independent measurement of a light source using such a measurement system in which
  • the light source emits light that is focused on the camera's image sensors through the microscope optics
  • the light passes through the polarizers assigned to the respective image sensors, - and the light is captured by the image sensors, each image sensor converting the light incident on the image sensor into a measurement signal,
  • the use of a matrix of polarizers in front of the individual image sensors clearly defines the polarization of the light hitting the respective image sensor.
  • the polarization sensitivity of the image sensors is thus compensated and the error budget of the measurement is minimized by averaging the measurement signals.
  • averaging over the measurement signals a polarization-independent value is obtained, which is linked to the absolute power via a value obtained through a calibration.
  • the spatial resolution when measuring the light power distribution can be specified by the microscope optics in combination with the size of the matrix blocks.
  • the transmission direction specifies the direction of the electric field of the electromagnetic light wave that is perpendicular to the direction of the beam path and that can pass through the respective polarizer.
  • a rotation of 90 ° of the transmission directions of the adjacent polarizers is sufficient to neutralize the polarization effect. The rotation by 45 ° enables the polarization to be measured.
  • micro-lenses are arranged in a matrix in front of the polarization filters.
  • the incident light is optimally distributed on the light-sensitive surface of each image sensor, thus increasing the sensitivity of the image sensors and reducing noise.
  • a beam splitter is used and the light from the light source of the camera and, at the same time, can be fed to a spectral measuring device by means of the beam splitter.
  • a spectral measuring device By using a spectral measuring device, the measurement can be made more precise with regard to the light intensity / power and the spectrum.
  • the spectral measuring device can be used to calibrate the camera.
  • a spectroradiometer for example, can be used as the spectral measuring device.
  • Spectroradiometers have proven themselves through a precise and reliable measurement method.
  • the spectroradiometer can be designed to carry out a so-called spot measurement, i.e., unlike the camera, it does not measure with spatial resolution.
  • spot measurement i.e., unlike the camera, it does not measure with spatial resolution.
  • individual VCSEL elements of the light source can be addressed by a diaphragm that can be moved across the beam path and precisely measured using the spectroradiometer.
  • the spectral measuring device can have an optical edge filter that can be swiveled or retracted into the beam path between the light source and the camera. An image is recorded by means of the camera without and another image is recorded with the optical edge filter swiveled in.
  • the absorption edge of the edge filter is in the range of the (previously known) mean emission wavelength of the light source, so that an individual absorption value of the edge filter can be assigned to each wavelength. From the comparison of the measurement signals of the two measurements, the wavelength for each individual pixel can then be determined very easily on the basis of the known filter characteristics. This is best done using software.
  • each individual VCSEL element can be identified on the basis of its position in the image in order to be able to assign an individual emission wavelength to each VCSEL element.
  • this measuring principle also works independently of those assigned to the image sensors Polarizers, ie with any measuring system that has a plurality of camera having a plurality of image sensors arranged in the form of a matrix and in which an optical edge filter is provided which can be swiveled or retracted into the beam path between the light source and the camera.
  • the microscope optics have at least one optical filter, for example a neutral density filter, in order to adapt the intensity of the light emission to the sensitivity of the camera.
  • the microscope optics have a tube lens. This makes it possible to implement the microscope with so-called “infinite optics”, so that there is flexibility when inserting intermediate elements (filters, beam splitters, etc.) into the beam path.
  • a disadvantage of the approach of the invention can be that an interpolation between the image sensors may be necessary in order to obtain the full resolution of the matrix-like arrangement. This is not a fundamental disadvantage, a corresponding interpolation is common with conventional RGB camera sensors.
  • the magnification and the numerical aperture of the microscope optics are selected so that the optical resolution is lower than the geometric “digital” resolution that results from the arrangement and size of the matrix blocks. This ensures that the Nyquist criteria are met so that no information is lost.
  • FIGS. 1 a and 1 b a schematic 3D view of a measuring system according to the invention with a housing (a) and without a housing (b);
  • FIG. 2 Schematically the detail area A from FIG. 1b
  • FIGS. 3a and 3b Schematically the structure of the polarizers for use in a measuring system according to the invention
  • FIGS. 4a and 4b total power measurement with different polarizations without polarization correction (4a) and with polarization correction (4b);
  • FIG. 5 Total power measurement with a conventional camera and, according to the invention, a camera with polarizers including polarization correction.
  • FIG. 1b shows the inner workings of the measuring system with the housing 1 removed. Behind the microscope objective 2, further elements of a microscope optics M are arranged, the individual components of which will be discussed further below (see FIG. 2). Furthermore, a beam splitter 3 is provided which guides part of the light via a coupling optics 4 into a light-guiding fiber F, of which only a short section is shown. This leads the light to a spectroradiometer (not shown) in order to carry out a spectral measurement. A camera 5 is also provided which captures the other part of the light for spatially resolved measurement of the light output.
  • FIG. 2 shows the microscope optics M from FIG. 1b in detail. Optical filters 6 and a tube lens 7 are arranged behind microscope objective 2.
  • FIG. 3 a three matrix arrangements (8, 9, 10) are shown, which are components of the camera 5.
  • the matrix arrangement 8 in the foreground is made up of micro-lenses 11.
  • the rear matrix arrangement 10 is formed from individual image sensors 12.
  • the image sensors 12 are, for example, as CMOS sensors or
  • a further matrix arrangement 9 is located between these two matrix arrangements 8, 10.
  • the matrix arrangement 8 is made up of polarizers 13. The transmission angles of the polarizers 13 lying next to one another are different. Each polarizer 13 is assigned to an image sensor 12 and a micro lens 11. The polarizers 13 are additionally subdivided into 2 ⁇ 2 matrix blocks 13a. Such a matrix block 13a is shown schematically in FIG. 3b.
  • the transmission directions of the individual polarizers 13 of a matrix block 13a are here each rotated by 45 ° with respect to the adjacent polarizers 13 and, in this exemplary embodiment, are at 0 °, 45 °, 90 ° and 135 °.
  • the light is emitted by the light source.
  • the light is introduced into the measuring system via the microscope objective 2 and passed through the optical filter 6 and the tube lens 7 to the beam splitter 3.
  • the light is guided via the beam splitter 3 to the camera 5 and parallel to the spectroradiometer.
  • the camera the light hits the image sensors 12 via the micro-lenses 11 and through the polarizers 13.
  • the light is detected by the image sensors 12 and converted into electrical measurement signals.
  • the measurement signals of the image sensors 12, which are assigned to a 2 ⁇ 2 matrix block 13a are each converted into a power measurement value that has been freed from polarization effects.
  • the light output can be determined precisely in a spatially resolved manner.
  • a calibration for example by preliminary measurement of a reference light source, is required.
  • the opening angle of the light emission can be determined by varying the distance between the light source and the measuring system and thereby observing the change in the image scale on the sensor array 10. This is of particular interest when measuring VCSEL arrays.
  • the measuring system enables quick, easy and precise measurement of the absolute power of individual emitters of a VCSEL array.
  • a polarization-dependent correction factor can be used to convert the measurement signals into power measurement values.
  • the 2D polarization information contained in each matrix block is used to find the correct correction factor for each pixel.
  • a typical calibration for a camera consists of a bad pixel correction, a dark current correction (,, img_dark (x, y)) ”), a
  • img_cal (x, y) (img_raw (x, y) - img_dark (x, y)) * img_ffc (x, y) * sensitivity (lambda) - “img_raw“ is the image as it is seen by the camera, with the raw camera pixels.
  • img_dark is the dark noise of the camera, typically measured with the camera in a black environment without light.
  • alpha (x, y) describes the polarization angle at position (x, y), measured by the camera and its polarization-sensitive pixels (matrix blocks),
  • alphaO (x, y) describes the zero phase polarization (depending on the polarization filters of the respective matrix block at position x, y of the sensor matrix); - “AOff (x, y)” describes a position-dependent offset of the amplitude.
  • a possible offset due to non-ideal polarizers can be calculated from the four different polarization images
  • Measure camera This must be done over the entire wavelength calibration range and provides a scalar factor for each wavelength. This is required for the absolute calibration of the camera. This provides the value for the sensitivity correction "sensivity (lambda)".
  • sensitivity correction "sensivity (lambda)".
  • FIGS. 4a and 4b a total power measurement with and without polarization correction is compared side by side. The measurement was carried out by rotating the light source in 45 ° steps. The measurement was carried out with a polarized light source and a typical CMOS camera with microscope optics. In FIG. 4a, a difference in the pixel sum of more than 10% can only be seen by rotating the polarization of the light source by 90 °.
  • FIG. 4b shows the result of the measurement of the same light source using a camera with polarization filters and with the implementation of a polarization correction, as described above. There is almost no more polarization dependency to be recognized.
  • FIG. 5 shows a measurement of a polarized light source. The figure shows the total output, measured with a standard CMOS camera (solid line) and measured with the camera with polarizers (dashed line) and correction according to the invention. The polarizers were rotated with a lambda plate. The measurement error due to polarization is greatly reduced.

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Abstract

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

Description

Messsvstem und Verfahren zur Vermessuna von Lichtquellen Die Erfindung betrifft ein Messsystem für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle, mit einer eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren aufweisenden Kamera und einer Mikroskopoptik. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, das ein solches Messsystem verwendet. Derartige Messsysteme werden eingesetzt, um Lichtquellen mikroskopisch mit Hilfe der Kamera zu vermessen und - nach geeigneter Kalibrierung - die Verteilung der Absolutleistung der Lichtquelle zu bestimmen. Bei der Lichtquelle kann es sich insbesondere um eine Anordnung VCSEL-Elementen (vertical- cavity surface-emitting laser) handeln, beispielsweise in Form einer VCSEL- Matrix auf einem Wafer. Hierbei ist das von den einzelnen VCSEL-Elementen emittierte Licht polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung unbestimmt ist oder sich mit der Zeit verändert. Die Bildsensoren bei bekannten Messsystemen, die CMOS-Kameras verwenden, sind polarisationsabhängig. Durch die unbestimmte Polarisation des zu vermessenden Lichts können sich bei der Messung der Lichtleistung systematische Fehler von bis zu 10% ergeben.
Um die Polarisation des Lichtes aufzuheben bzw. zu verringern, existieren verschiedene Arten von Depolarisatoren, die aus polarisiertem Licht unpolarisiertes Licht machen. Die Depolarisatoren haben jedoch gerade bei VCSEL-Elementen den Nachteil, dass sie nur äußerst unzureichend funktionieren, weil die Lichtquelle ein zu schmales Spektrum hat, wodurch eine Restpolarisation erhalten bleibt und/oder aufgrund von doppelbrechenden Eigenschaften die erforderliche Ortsauflösung bei der Vermessung des einfallenden Lichts nicht mehr erhalten werden kann.
Alle bekannten Messsysteme bieten keine zufriedenstellende Kompensation der Polarisationseigenschaften oder sind viel zu aufwendig. Dadurch ist eine absolute Leistungsmessung mit einem akzeptablen Fehlerbudget nicht möglich. Mit den bekannten Messsystemen ist bestenfalls die Messung der relativen Leistung der VCSEL-Elemente möglich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Messsystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit diesem eine verbesserte und einfache möglichst polarisationsunabhängige Messung der Absolutleistung oder einer mit der Absolutleistung verknüpften radiometrische Größen wie insbesondere der Strahlungsdichte der Lichtquelle unter Erhaltung der Ortsauflösung im mikroskopischen Bereich ermöglicht wird.
Hierzu schlägt die Erfindung ausgehend von einem Messsystem der eingangs genannten Art vor, dass den Bildsensoren jeweils ein linearer Polarisator zugeordnet ist, wobei die linearen Polarisatoren matrixförmig vor den Bildsensoren angeordnet sind und zwei oder mehr, vorzugsweise vier, Polarisatoren einen Matrixblock bilden, wobei die Durchlassrichtungen nebeneinanderliegender linearer Polarisatoren innerhalb eines Matrixblocks relativ zueinander verdreht sind, vorzugsweise um 45° oder um 90°.
Des Weiteren schlägt die Erfindung ein Verfahren für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle unter Verwendung eines solchen Messsystems vor, bei dem
- die Lichtquelle Licht emittiert, das durch die Mikroskopoptik auf die Bildsensoren der Kamera fokussiert wird,
- das Licht die den jeweiligen Bildsensoren zugeordneten Polarisatoren durchläuft, - und das Licht von den Bildsensoren erfasst wird, wobei jeder Bildsensor das auf den Bildsensor auftreffende Licht in ein Messsignal umwandelt,
-wobei anschließend die Messsignale der Bildsensoren, die den Polarisatoren desselben Matrixblocks zugeordnet sind, in Lichtleistungsmesswerte umgewandelt werden, in denen polarisationsabhängige Abweichungen kompensiert sind,
- und aus den Lichtleistungsmesswerten sämtlicher Matrixblöcke ein Bild der Verteilung der Lichtleistung der Lichtquelle erzeugt wird.
Durch den Einsatz einer Matrix aus Polarisatoren vor den einzelnen Bildsensoren ist klar definiert, welche Polarisation das auf den jeweiligen Bildsensor treffende Licht hat. Die Polarisationsempfindlichkeit der Bildsensoren wird somit ausgeglichen und das Fehlerbudget der Messung durch die Mittelung der Messsignale minimiert. Durch die Mittelung über die Messsignale erhält man einen von der Polarisation unabhängigen Wert, der über einen durch eine Kalibrierung erhaltenen Wert mit der Absolutleistung verknüpft ist. Die Ortsauflösung bei der Vermessung der Lichtleistungsverteilung ist durch die Mikroskopoptik in Kombination mit der Größe der Matrixblöcke vorgebbar.
Besonders vorteilhaft ist hierbei eine 2x2-Matrix aus vier Polarisatoren, deren Durchlassrichtungen jeweils um 45° zueinander verdreht sind, also beispielsweise einen Durchlassrichtung von 0°, 45°, 90° bzw. 135 ° aufweisen. Die Durchlassrichtung gibt die zur Strahlverlaufsrichtung senkrechte Richtung des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Lichtwelle an, die den jeweiligen Polarisator passieren kann. Eine Verdrehung von 90° der Durchlassrichtungen der nebeneinanderliegenden Polarisatoren reicht, um den Polarisationseffekt zu neutralisieren. Die Verdrehung um 45° ermöglicht es die Polarisation zu messen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor den Polarisationsfiltern Mikro-Linsen matrixförmig angeordnet sind. Durch die Mikro- Linsen wird das einfallende Licht auf die lichtempfindliche Oberfläche jedes Bildsensors optimal verteilt und damit die Empfindlichkeit der Bildsensoren erhöht und Rauschen reduziert.
Zur weiteren Verbesserung der Messung ist es zweckmäßig, wenn ein Strahlteiler eingesetzt wird und mittels des Strahlteilers das Licht der Lichtquelle der Kamera sowie gleichzeitig einer spektralen Messvorrichtung zuführbar ist. Durch den Einsatz einer spektralen Messvorrichtung lässt sich die Messung hinsichtlich der Lichtintensität/-Ieistung und des Spektrums weiter präzisieren. Außerdem kann die spektrale Messvorrichtung zur Kalibrierung der Kamera verwendet werden.
Als spektrale Messvorrichtung kann beispielsweise ein Spektroradiometer eingesetzt werden. Spektroradiometer haben sich durch eine präzise und zuverlässige Messweise bewährt. Das Spektroradiometer kann zur Durchführung einer sog. Spot-Messung ausgelegt sein, d.h. es misst, anders als die Kamera, nicht ortsauflösend. Z.B. können einzelne VCSEL-Elemente der Lichtquelle durch eine quer zum Strahlenverlauf verschiebbare Blende adressiert und mittels des Spektroradiometers präzise vermessen werden.
Alternativ zum Spektroradiometer kann die spektrale Messvorrichtung ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter aufweisen. Eine Bildaufnahme mittels der Kamera erfolgt dabei ohne und eine weitere Bildaufnahme mit eingeschwenktem optischen Kantenfilter. Die Absorptionskante des Kantenfilters liegt dabei im Bereich der (vorab bekannten) mittleren Emissionswellenlänge der Lichtquelle, sodass jeder Wellenlänge ein individueller Absorptionswert des Kantenfilters zugeordnet werden kann. Aus dem Vergleich der Messsignale der beiden Messungen kann dann auf Basis der bekannten Filtercharakteristik die Wellenlänge für jeden einzelnen Bildpunkt sehr einfach bestimmt werden. Dies erfolgt am besten per Software. Bei einer VCSEL-Matrix als Lichtquelle kann z.B. jedes einzelne VCSEL-Element anhand seiner Position im Bild identifiziert werden, um jedem VCSEL-Element eine individuelle Emissionswellenlänge zuordnen zu können. Dieses Messprinzip funktioniert prinzipiell auch unabhängig von den den Bildsensoren zugeordneten Polarisatoren, d.h. mit jedem Messsystem, das eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren aufweisenden Kamera aufweist und bei dem ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter vorgesehen ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Mikroskopoptik mindestens ein optisches Filter aufweist, z.B. ein Neutraldichtefilter, um die Intensität der Lichtemission an die Empfindlichkeit der Kamera anzupassen.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Mikroskopoptik eine Tubuslinse aufweist. Dies ermöglicht es, das Mikroskop mit einer sog. „Unendlichoptik“ zu realisieren, so dass Flexibilität bei der Einfügung von Zwischenelementen (Filter, Strahlteiler etc.) in den Strahlengang besteht.
Ein Nachteil des Ansatzes der Erfindung kann sein, dass eine Interpolation zwischen den Bildsensoren erforderlich sein kann, um die volle Auflösung der matrixförmigen Anordnung zu erhalten. Die ist kein prinzipieller Nachteil, eine entsprechende Interpolation ist bei üblichen RGB-Kamerasensoren gängig. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Vergrößerung und die numerische Apertur der Mikroskopoptik so gewählt, dass die optische Auflösung geringer ist als die geometrische „digitale“ Auflösung, die sich aus der Anordnung und Größe der Matrixblöcke ergibt. Dadurch kann die Erfüllung der Nyquist-Kriterien sichergestellt werden, so dass keine Informationen verloren gehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 a und 1 b: Schematisch eine 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Messsystems mit Gehäuse (a) und ohne Gehäuse (b);
Figur 2: Schematisch den Detailbereich A aus Figur 1b; Figur 3a und 3b: Schematisch den Aufbau der Polarisatoren zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Messsystem;
Figur 4a und 4b: Gesamtleistungsmessung mit verschiedenen Polarisationen ohne Polarisationskorrektur (4a) und mit Polarisationskorrektur (4b);
Figur 5: Gesamtleistungsmessung mit eine herkömmlichen Kamera und erfindungsgemäß einer Kamera mit Polarisatoren inklusive Polarisationskorrektur.
In den Figuren ist das Gehäuse des erfindungsgemäßen Messsystems mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. An der Frontseite ist ein Mikroskopobjektiv 2 angeordnet. Figur 1b zeigt das Innenleben des Messsystems bei abmontiertem Gehäuse 1. Hinter dem Mikroskopobjektiv 2 sind weitere Elemente einer Mikroskopoptik M angeordnet, auf deren einzelne Bestandteile weiter unten eingegangen wird (vgl. Figur 2). Ferner ist ein Strahlteiler 3 vorgesehen, der einen Teil des Lichts über eine Einkoppeloptik 4 in eine lichtleitende Faser F führt, von der nur ein kurzes Stück dargestellt ist. Diese führt das Licht einem Spektroradiometer (nicht dargestellt) zu, um eine spektrale Vermessung durchzuführen. Weiter ist eine Kamera 5 vorgesehen, die den anderen Teil des Lichts zur ortsaufgelösten Messung der Lichtleistung erfasst. Figur 2 zeigt die Mikroskopoptik M aus Figur 1b im Detail. Hinter dem Mikroskopobjektiv 2 sind optische Filter 6 und eine Tubuslinse 7 angeordnet.
In Figur 3a sind drei Matrixanordnungen (8, 9, 10) dargestellt, die Bestandteile der Kamera 5 sind. Die Matrixanordnung 8 im Vordergrund ist aus Mikro-Linsen 11 aufgebaut. Die hintere Matrixanordnung 10 wird aus einzelnen Bildsensoren 12 gebildet. Die Bildsensoren 12 sind beispielsweise als CMOS-Sensoren oder
CCD-Sensoren realisiert. Zwischen diesen beiden Matrixanordnungen 8, 10 befindet sich eine weitere Matrixanordnung 9. Die Matrixanordnung 8 ist aus Polarisatoren 13 aufgebaut. Die Durchlasswinkel der jeweils nebeneinanderliegenden Polarisatoren 13 sind unterschiedlich. Jeder Polarisator 13 ist einem Bildsensor 12 und einer Mikro-Linse 11 zugeordnet. Die Polarisatoren 13 sind zusätzlich in 2x2-Matrixblöcke 13a unterteilt. Ein solcher Matrixblock 13a ist schematisch in Figur 3b dargestellt. Die Durchlassrichtungen der einzelnen Polarisatoren 13 eines Matrixblocks 13a sind hier jeweils um 45° gegenüber den benachbarten Polarisatoren 13 verdreht und liegen in diesem Ausführungsbeispiel bei 0°, 45°, 90° und 135°.
Bei der Vermessung einer Lichtquelle mit dem erfindungsgemäßen Messsystem wird Licht von der Lichtquelle emittiert. Das Licht wird über das Mikroskopobjektiv 2 in das Messsystem eingebracht und durch die optischen Filter 6 und die Tubuslinse 7 zum Strahlteiler 3 geleitet. Über den Strahlteiler 3 wird das Licht zur Kamera 5 und parallel zum Spektroradiometer geführt. In der Kamera triff das Licht über die Mikro-Linsen 11 und durch die Polarisatoren 13 auf die Bildsensoren 12. Mittels der Bildsensoren 12 wird das Licht erfasst und in elektrische Messsignale umgewandelt. Anschließend werden die Messsignale der Bildsensoren 12, die einem 2x2-Matrixblock 13a zugeordnet sind, in jeweils einen von Polarisationseffekten befreiten Leistungsmesswert umgerechnet. Hierdurch wird der Einfluss der Polarisation des von der Lichtquelle emittierten Lichts minimiert und das Messergebnis ist nahezu polarisationsunabhängig. Die Polarisationsempfindlichkeit der Bildsensoren 13 wird durch die Umrechnung ausgeglichen und das durch die Polarisation verursachte Fehlerbudget minimiert. Somit kann die Lichtleistung ortsaufgelöst präzise bestimmt werden. Für die Bestimmung der Absolutleistung oder einer mit der Absolutleistung verknüpften radiometrische Größen wie insbesondere der Strahlungsdichte ist eine Kalibrierung, z.B. durch Vorabvermessung einer Referenzlichtquelle erforderlich. Der Öffnungswinkel der Lichtemission kann bestimmt werden, indem der Abstand zwischen Lichtquelle und Messsystem variiert und dabei die Veränderung des Abbildungsmaßstabs auf dem Sensorarray 10 beobachtet wird. Dies ist insbesondere bei der Vermessung von VCSEL-Arrays von Interesse. Gleichzeitig ermöglicht das Messsystem die schnelle, einfache und präzise Messung der Absolutleistung einzelner Emitter eines VCSEL-Arrays. Es ist in anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen denkbar, die Polarisatoren 12 beispielsweise in 2x1 -Matrixblöcke zu unterteilen, und die Durchlassrichtungen der Polarisatoren 13 eines Matrixblocks um 90° zu verschieben. Weitere Varianten sind möglich. Für die Umrechnung der Messsignale in Leistungsmesswerte kann erfindungsgemäß ein polarisationsabhängiger Korrekturfaktor verwendet werden. Die in jedem Matrixblock enthaltene 2D-lnformation der Polarisation wird verwendet, um den richtigen Korrekturfaktor für jedes Pixel zu finden. Eine typische Kalibrierung für eine Kamera besteht aus einer Bad-Pixel- Korrektur, einer Dunkelstrom korrektur (,,img_dark(x,y))”), einer
Flachfeldkalibrierung (,,img_ffc(x,y)”) und einer Empfindlichkeitskorrektur „sensitivity(lambda)“): img_cal(x,y) = (img_raw(x,y) - img_dark(x,y)) * img_ffc(x,y) * sensitivity(lambda) - “img_raw“ ist das Bild, wie es von der Kamera gesehen wird, mit den rohen Kamerapixeln.
- „img_dark“ ist das Dunkelrauschen der Kamera, typischerweise gemessen mit der Kamera in einer schwarzen Umgebung ohne Licht.
- rng_ffc“ ist ein positionsabhängiger Korrekturfaktor aufgrund von Unvollkommenheiten der Optik und der Empfindlichkeitsänderungen der
Kamera.
- „sensitivity(lambda)“ ist ein wellenlängenabhängiger Korrekturfaktor aufgrund der Kameratechnologie, deren Quanteneffizienz von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt. Gemäß der Erfindung wird diese übliche Korrektur um einen Korrekturfaktor für die Polarisation erweitert: img_cal(x,y) = (img_raw(x,y) - img_dark(x,y)) * img_ffc(x,y) * sensitivity(lambda)
* polcorrection(x,y) Die Polarisationskorrektur (,,polcorrection(x,y)“) ist abhängig vom Polarisationswinkel an einer Position (x,y) und dessen Grad an dieser Position
(x.y): polcorrection(x,y) = A0(x,y) * cos(2*alpha(x,y) - alpha0(x,y)) + Aoff(x,y) * DoP(x,y)
- ,,alpha(x,y)“ beschreibt den Polarisationswinkel an der Position (x,y), gemessen von der Kamera und ihren polarisationsempfindlichen Pixeln (Matrixblöcken),
- „DoP(x,y)‘‘ beschreibt den Grad der Polarisation an der Position (x,y), gemessen von der Kamera und ihren polarisationsempfindlichen Pixeln, - ,,A0(x,y)“ beschreibt eine positionsempfindliche Matrix der
Nullphasenpolarisation,
- ,,alphaO(x,y)“ beschreibt die Nullphasenpolarisation (abhängig von den Polarisationsfiltern des jeweiligen Matrixblocks an der Position x,y der Sensormatrix); - ,,AOff(x,y)“ beschreibt einen positionsabhängigen Offset der Amplitude.
Die Kalibrierung für eine Kamera mit vier verschiedenen Polarisations ausrichtungen wird in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den folgenden Schritten durchgeführt:
1. Bad-Pixel-Korrektur: Sogenannte kalte und heiße Pixel in der Kamera werden auf die gleiche Weise wie bei herkömmlichen Verfahren ermittelt. Es werden mindestens zwei Bilder im dunklen Modus und im hellen Zustand aufgenommen und die einzelnen Pixelabweichungen aufgefunden.
2. Dunkelstrom korrektur: Es wird ein Bild in dunkler Umgebung aufgenommen (wie bei herkömmlichen Verfahren). Dies liefert den Wert für die Dunkelstrom korrektur ,,img_dark(x,y)“. 3. Flachfeldkalibrierung: Es werden verschiedene Flachfeldkalibrierungs bilder mit polarisiertem Licht mit mindestens vier verschiedenen Polarisationen aufgenommen (z. B. 0°, 45°, 90°, 135°). Für jede Polarisation wird die Flachfeldkalibrierung auf die gleiche Weise wie bei herkömmlichen Verfahren durchgeführt. Die vier Flachfeldkalibrierungsbilder werden verwendet, um jeden Polarisationsfilter der Kamera zu korrigieren. Daraus wird ein vollständiges Bild berechnet. Dieses liefert den Wert für die Flachfeldkalibrierung ,,img_ffc(x,y)“, unabhängig von der Polarisation.
4. Aus den vier verschiedenen Polarisationsbildern kann ein eventueller Offset aufgrund von nicht idealen Polarisatoren berechnet werden
(Fertigungsungenauigkeiten etc.). Dies liefert einen Offset für jede Polarisationsberechnung (alpha0(x,y)) und eine Amplitudenvariation, abhängig von der Position auf der Kamera (A0(x,y)) und möglicherweise abhängig von der Polarisation des Lichts (Aoff(x,y)), die auch vom Grad der Polarisation abhängt. 5. Es wird ein monochromatisches Licht genutzt, um die Empfindlichkeit der
Kamera zu messen. Dies muss über den gesamten Wellenlängen- Kalibrierungsbereich erfolgen und liefert einen skalaren Faktor für jede Wellenlänge. Dieser wird für die absolute Kalibrierung der Kamera benötigt. Dies liefert die den Wert für die Empfindlichkeitskorrektur „sensivity(lambda)“. In den Figuren 4a und 4b ist eine Gesamtleistungsmessung ohne und mit Polarisationskorrektur nebeneinander gegenübergestellt. Die Messung erfolgte mit Rotation der Lichtquelle in 45°-Schritten. Die Messung wurde mit einer polarisierten Lichtquelle und einer typischen CMOS-Kamera mit Mikroskop- Optik durchgeführt. In Figur 4a ist ein Unterschied in der Pixelsumme von mehr als 10 % nur durch Drehen der Polarisation der Lichtquelle um 90° ersichtlich. Dies zeigt deutlich, dass man die Polarisation der Lichtquelle nicht vernachlässigen kann, wenn man die absolute Leistung mit einer Kamera messen will. Auch bei relativen Messungen einzelner Emitter eines VCSEL- Arrays kann man die Polarisationsabhängigkeit nicht vernachlässigen, da die Möglichkeit der Polarisationsänderung für jeden Emitter einzeln erfolgt. Figur 4b zeigt das Ergebnis der Vermessung der gleichen Lichtquelle unter Verwendung einer Kamera mit Polarisationsfiltern und mit der Durchführung einer Polarisationskorrektur, wie zuvor beschrieben. Es ist nahezu keine Polarisationsabhängigkeit mehr zu erkennen. Figur 5 zeigt eine Vermessung einer polarisierten Lichtquelle. Dargestellt ist die Gesamtleistung, gemessen mit einer Standard-CMOS-Kamera (durchgezogene Linie) und gemessen mit der Kamera mit Polarisatoren (gestrichelte Linie) und erfindungsgemäßer Korrektur. Die Polarisatoren wurden mit einer Lambdas- Platte gedreht. Der Messfehler durch die Polarisation wird stark reduziert.
Bezugszeichenliste:
1 Gehäuse
2 Mikroskopobjektiv 3 Strahlteiler
4 Einkoppeloptik
5 Kamera
6 optische Filter
7 Tubuslinse 8-10 Matrixanordnungen
11 Mikro-Linse
12 Bildsensor
13 Polarisator
13a Matrixblock aus Polarisatoren 13 M Mikroskopoptik
F Faser

Claims

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