DE102021114059B3 - Optische bildgebende Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische bildgebende Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Strahlteilerelement, auf das über eine Eingangsapertur der Vorrichtung von einem Untersuchungsgegenstand ausgehendes Objektlicht einfällt und an dem das Objektlicht in eine erste Lichtkomponente und in zweite Lichtkomponente aufgeteilt wird, die eine jeweilige Wellenfront aufweisen, eine Detektionseinheit, die in Ausbreitungsrichtung des Objektlichts hinter dem mindestens einen Strahlteilerelement angeordnet ist, und eine mit der Detektionseinheit gekoppelte Auswerteeinheit, wobei die Vorrichtung wellenfrontinvertierend ausgestaltet ist zum Invertieren der Wellenfront der ersten Lichtkomponente und/oder der Wellenfront der zweiten Lichtkomponente, wobei die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente über mindestens ein optisches Element auf die Detektionseinheit fallen, wobei die Wellenfronten der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente an der Detektionseinheit abhängig von einem Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten zu einem jeweiligen Interferenzmuster interferieren, welcher Neigungswinkel kennzeichnend für einen Winkel ist, den das Objektlicht einfallseitig in Bezug auf eine definierte Einfallsrichtung auf das mindestens eine Strahlteilerelement aufweist, und wobei die Auswerteeinheit auf dem Interferenzmuster basierend ein Bild des Untersuchungsgegenstandes erstellt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische bildgebende Vorrichtung zum Untersuchen eines Untersuchungsgegenstandes. Hierbei kann Objektlicht, das vom Untersuchungsgegenstand auf eine Eingangsapertur der Vorrichtung fällt, auf einem Anregungsvorgang beim Beleuchten des Untersuchungsgegenstandes mit Anregungslicht beruhen, beispielsweise einer Laserlichtquelle mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge. Die Vorrichtung ist zum Beispiel bei der Absorptionsspektroskopie, der Fluoreszenzspektroskopie und/oder der Raman-Spektroskopie einsetzbar. Alternativ oder ergänzend kann das Objektlicht beispielsweise am Untersuchungsgegenstand reflektiertes Beleuchtungslicht sein. Denkbar ist auch der Einsatz mit selbstleuchtenden Untersuchungsgegenständen. Beispielhafte Anwendungen finden sich bei Untersuchungen mit begrenzt großem Spot oder Streufleck. Denkbar ist zum Beispiel eine Anwendung im Bereich der Materialbearbeitung zum Beispiel bei Schweißvorgängen mit typischen Spotgrößen von ungefähr 1 mm bis 5 mm Durchmesser und darüber.
• Ein System zur Probeninspektion und quantitativen Bildverarbeitung und ein Verfahren zur Off-Axis Interferometrie ist in der US 2016/0305761 A1 beschrieben. Ermöglicht wird die Aufnahme von Off-Axis-Hologrammen in einem erweiterten Sichtfeld (FOV, Field of View).
• Die US 6,084,673 A beschreibt einen lithografischen Projektionsapparat für schrittweises Abtasten (Step and Scan Imaging) eines Maskenmusters auf einem Substrat.
• In der US 2003/0169429 A1 ist ein interferometrisches System mit einem Mehrpassinterferometer und Reflektoren beschrieben, die mindestens zwei Strahlen bei mehreren Durchgängen durch das Interferometer reflektieren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische bildgebende Vorrichtung mit nach Möglichkeit kompakter Bauform bei hoher räumlicher Auflösung bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische bildgebende Vorrichtung gelöst, umfassend mindestens ein Strahlteilerelement, auf das über eine Eingangsapertur der Vorrichtung von einem Untersuchungsgegenstand ausgehendes Objektlicht einfällt und an dem das Objektlicht in eine erste Lichtkomponente und in eine zweite Lichtkomponente aufgeteilt wird, die eine jeweilige Wellenfront aufweisen, eine Detektionseinheit, die in Ausbreitungsrichtung des Objektlichts hinter dem mindestens einen Strahlteilerelement angeordnet ist, und eine mit der Detektionseinheit gekoppelte Auswerteeinheit, wobei die Vorrichtung wellenfrontinvertierend ausgestaltet ist zum Invertieren der Wellenfront der ersten Lichtkomponente und/oder der Wellenfront der zweiten Lichtkomponente, wobei die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente über mindestens ein optisches Element auf die Detektionseinheit fallen, wobei die Wellenfronten der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente an der Detektionseinheit abhängig von einem Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten zu einem jeweiligen Interferenzmuster interferieren, welcher Neigungswinkel kennzeichnend für einen Winkel ist, den das Objektlicht einfallseitig in Bezug auf eine definierte Einfallsrichtung auf das mindestens eine Strahlteilerelement aufweist, und wobei die Auswerteeinheit auf dem Interferenzmuster basierend ein Bild des Untersuchungsgegenstandes erstellt.
• Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine definierte Einfallsrichtung für Objektlicht vom Untersuchungsgegenstand beispielsweise durch eine optische Achse eines an der Eingangsapertur angeordneten Abbildungselementes definiert. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Sammellinse handeln, in deren Fokus ein ausgedehnter Streufleck am Untersuchungsgegenstand liegt. Anteile von Objektlicht im Bereich des geometrischen Fokusses können beispielsweise als ebene Wellen auf das Strahlteilerelement einfallen. Anteile von Objektlicht, die vom Streufleck stammen und außerhalb des geometrischen Fokusses in der Fokalebene liegen, können als beispielsweise ebene Wellen in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung unter einem Winkel einfallen. Dieser Winkel ist dementsprechend ein Maß dafür, von welchem Abschnitt des Untersuchungsgegenstandes in der Fokalebene der diesbezügliche Anteil des Objektlichts stammt. Für Objektlicht, das von außerhalb der Fokalebene stammt, können die Wellenfronten gekrümmt sein (beispielsweise sphärisch gekrümmt). Bei bekannter Tiefe kann die Auswerteeinheit diese Krümmung vorzugsweise rechnerisch kompensieren und Signalbeiträge den Ebenen des Untersuchungsgegenstandes zuordnen.
• Einfallendes Objektlicht wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung am mindestens einen Strahlteilerelement in zwei Lichtkomponenten aufgeteilt. Die Wellenfront des Lichtes zumindest einer Lichtkomponente wird von der Vorrichtung invertiert. Hierbei kann eine Wellenfrontinversion derart erfolgen, dass die Wellenfront in Bezug auf die Wellenfront der jeweils anderen Lichtkomponente vor der Detektionseinheit in einer Raumrichtung invertiert ist. Denkbar ist eine Inversion der Wellenfronten beider Lichtkomponenten derart, dass die Inversionen in voneinander unterschiedlichen Raumrichtungen erfolgen. Die Wellenfrontinversion in zumindest einer Lichtkomponente kann über einen kompakten Aufbau der Vorrichtung erzielt werden. Die Wellenfronten fallen über das mindestens eine optische Element auf das Detektionselement und können infolge der mindestens einen Inversion in zumindest einer Raumrichtung zu einem Interferenzmuster interferieren. Das Interferenzmuster hängt insbesondere von einem Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten ab, der kennzeichnend für den Winkel ist, unter dem der Anteil des Objektlichtes relativ zur definierten Einfallsrichtung ist. Basierend auf dieser Information kann die Auswerteeinheit ein Bild des Untersuchungsgegenstandes basierend auf dem Interferenzmuster zumindest im Bereich des Streuflecks erstellen, da der Winkel mit dem lateralen Abstand relativ zur optischen Achse korreliert.
• Je nach Anwendung kann der Streufleck unterschiedlich groß sein. Typisch kann ein Durchmesser von ungefähr 1 mm bis 5 mm sein. Allerdings kann der Durchmesser, insbesondere bei „vollflächiger“ Beleuchtung, zum Beispiel ungefähr 10 mm oder mehr betragen, wobei auch ungefähr 100 mm denkbar sind.
• Eine räumliche Untersuchung des Untersuchungsgegenstandes kann zum Beispiel mittels räumlicher Abtastung durch eine Relativbewegung der Vorrichtung und des Untersuchungsgegenstandes erfolgen. Vorzugsweise wird hierbei die Vorrichtung relativ zum ortsfesten Untersuchungsgegenstand bewegt.
• Das Interferenzmuster ist beispielsweise ein Streifenmuster („fringe pattern“), das multiple Streifendichten aufweisen kann („Fringe-Frequenzen“). Die Detektionseinheit umfasst zum Beispiel ein Array von Detektionselementen zur Detektion des Interferenzmusters. Beispielsweise ermittelt die Auswerteeinheit durch Fouriertransformation des Interferenzmusters den Winkel in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung. Bei der Auswertung können den Fourier-Transformationsverfahren optional dem Fachmann bekannte Methoden der Interferenztechnik vorgezogen sein. Optional können Verfahren der Aberrationskorrektur vorgezogen sein.
• Bei der Vorrichtung kann nach dem Gesagten die Ortsinformation über den Untersuchungsgegenstand ermittelt werden. Vorzugsweise, hierauf wird nachfolgend noch eingegangen, kann eine spektroskopische Bildgebung durchgeführt werden, bei der zusätzlich zur Ortsinformation eine spektrale Information im Objektlicht berücksichtigt wird. Die spektrale Information kann zum Beispiel auf einer Beleuchtungswellenlänge, einer Anregungswellenlänge und/oder einer Fluoreszenzwellenlänge beruhen.
• Der Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente ist insbesondere umso größer, je größer der Winkel der Einfallsrichtung des Objektlichts in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung ist. Aufgrund des abhängig vom Neigungswinkel unterschiedlich ausfallenden Interferenzmusters ist es der Auswerteeinheit möglich, die lokale Herkunft des diesbezüglichen Anteils des Objektlichts vom Untersuchungsgegenstand zu ermitteln.
• Die Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass der Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten verschwindet, wenn das Objektlicht in der definierten Einfallsrichtung einfällt.
• Insbesondere ist der Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente doppelt so groß ist wie der Winkel, den die Einfallsrichtung des Objektlichts in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung einnimmt. Auf diese Weise kann eine hohe räumliche Auflösung mit der Vorrichtung erzielt werden.
• Günstigerweise wird das Objektlicht am mindestens einen Strahlteilerelement zu 50% oder im Wesentlichen 50% jeweils in die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente aufgeteilt. Bei jeweils hälftiger Aufteilung des Objektlichts in die erste und die zweite Lichtkomponente kann bei der Selbstinterferenz ein Interferenzmuster mit hohem Kontrast erzeugt werden.
• Günstig ist es, wenn die Vorrichtung Sub-Aperturen umfasst oder bildet, wobei eine jeweilige Inversion der Wellenfront der ersten Lichtkomponente und/oder der Wellenfront der zweiten Lichtkomponente innerhalb einer Sub-Apertur erfolgt. Über die jeweilige Sub-Apertur können möglichst geringe Weglängendifferenzen zwischen der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente erzielt werden. Innerhalb der jeweiligen Sub-Apertur kann auf diese Weise ein Interferenzmuster mit bevorzugt ausgedehnter lateraler Sichtbarkeit erzeugt werden.
• Die Gesamtheit der Sub-Aperturen entspricht beispielsweise einer Detektions-Apertur der Detektionseinheit, sie kann alternativ von der Detektions-Apertur unterschiedlich sein.
• Sub-Aperturen sind beispielsweise mindestens entlang einer ersten Raumrichtung der Vorrichtung vorgesehen oder ausgebildet. Sub-Aperturen können beispielsweise entlang einer quer und insbesondere senkrecht zur ersten Raumrichtung ausgerichteten zweiten Raumrichtung der Vorrichtung vorgesehen oder ausgebildet sein.
• Sub-Aperturen können im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und/oder im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente vorgesehen oder gebildet sein.
• Vorgesehen sein kann, dass im Lichtpfad der jeweiligen Lichtkomponente Sub-Aperturen in zumindest einer Raumrichtung vorgesehen oder gebildet sind.
• Sub-Aperturen im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente sind insbesondere in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen vorgesehen oder ausgebildet (insbesondere 2D-Sub-Aperturen). Es kann vorgesehen sein, dass Sub-Aperturen in zwei Raumrichtungen im Lichtpfad einer der beiden Lichtkomponenten vorgesehen oder gebildet sind, wobei in diesem Fall der Lichtpfad der jeweils anderen Lichtkomponente beispielsweise frei von Sub-Aperturen sein kann.
• In jeder Sub-Apertur ist günstigerweise die Information über den Winkel des Objektlichts in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung enthalten. Dementsprechend kann abhängig von jeder Sub-Apertur ein eigenständiges und auswertbares Interferenzmuster bereitgestellt werden. Es ergibt sich ein Vorteil einer hohen Signalstärke über die von den Sub-Aperturen gebildete gesamte Apertur, wenn davon ausgegangen wird, dass das aus einer Sub-Apertur stammende Signal an deren Rand abfällt.
• Günstigerweise können die Beiträge aus den einzelnen Sub-Aperturen aufaddiert werden, um das Gesamtsignal zu erhalten. Das Gesamtsignal weist vorzugsweise ein gutes Signal-zu-Rauschverhältnis auf (SNR, Signal-to-Noise-Ratio). „Beitrag“ ist insbesondere ein Bild auf Basis einer jeweiligen Sub-Apertur.
• Alternativ oder ergänzend kann eine Amplituden- und Phasen-Information innerhalb einer jeweiligen Sub-Apertur berücksichtigt werden, um ein hochauflösendes Bild bereitzustellen. Dieses Bild hat vorzugsweise dieselbe optische Auflösung, als wäre es mit einer großen Apertur aufgenommen worden. Zu diesem Zweck können zum Beispiel Phasenoffsets in den korrespondierenden Pixeln (der Detektionseinheit) einer jeweiligen Sub-Apertur für diese zu individuell aufgelösten Pixeln aus einer extrapolierten Gesamt-Apertur errechnet werden.
• Bei einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung und kompakten Bauform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das mindestens eine Strahlteilerelement das mindestens eine optische Element ausbildet. Insbesondere kann zum Beispiel ein Strahlteilerwürfel vorgesehen sein, dessen Strahlteilerschicht das mindestens eine Strahlteilerelement und das mindestens eine optische Element umfasst oder bildet. Objektlicht fällt beispielsweise auf eine erste Seite der Strahlteilerschicht ein und wird, nach jeweiliger Reflexion, über eine zweite Seite der Strahlteilerschicht in Richtung der Detektionseinheit geleitet. Alternativ kann zum Beispiel eine das mindestens eine Strahlteilerelement und das mindestens eine optische Element bildende Strahlteilerplatte vorgesehen sein.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das mindestens eine Strahlteilerelement ein Diffraktionselement sein oder umfassen, wobei die erste Lichtkomponente vom Diffraktionselement transmittiert wird, nach Reflexion an einem Reflexionselement reflektiert wird und am Diffraktionselement wellenlängenabhängig in Richtung der Detektionseinheit gebeugt wird, und wobei die zweite Lichtkomponente am Diffraktionselement wellenlängenabhängig in Richtung eines Reflexionselementes gebeugt wird, an diesem in Richtung der Detektionseinheit reflektiert wird und vom Diffraktionselement transmittiert wird. Hierbei bildet das Strahlteilerelement zugleich das optische Element, in Gestalt des Diffraktionselementes.
• Das Diffraktionselement ist beispielsweise ein Spektralgitter, insbesondere ein VPH (Volumen-Phasen-Hologramm, Volumetric Phase Hologram).
• Bei der im vorangegangenen Absatz erwähnten bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit, zusätzlich zur räumlichen Information zur Erstellung des Bildes eine spektrale Information im Objektlicht auszuwerten. Jede der beiden Lichtkomponenten wird einmal am Diffraktionselement transmittiert und einmal gebeugt, wobei die Beugung wellenlängenabhängig ist. An der Detektionseinheit überlagern dadurch die Wellenfronten der beiden Lichtkomponenten wellenlängenabhängig. Abhängig von der Wellenlänge können die Wellenfronten dabei um einen Kippwinkel relativ zueinander gekippt sein, der kennzeichnend für die Wellenlänge ist.
• Günstig kann es nach dem Gesagten sein, wenn die Vorrichtung eine spektroskopische bildgebende Vorrichtung ist und wenn mindestens ein das Objektlicht spektral zerlegendes Element umfasst, insbesondere das vorstehend erwähnte Diffraktionselement, wobei ein jeweiliges Interferenzmuster bei gegebenem Neigungswinkel der Wellenfronten abhängig von einer Wellenlänge des Objektlichts ist. Die Streifenfrequenz im Interferenzmuster („Fringe-Frequenz“) ist beispielsweise derart abhängig von der Wellenlänge, dass bei kleineren Wellenlängen eine höhere Fringe-Frequenz als bei größeren Wellenlängen auftritt. Die Analyse des Interferenzmusters erlaubt es der Auswerteeinheit, bei gegebenem Neigungswinkel, und damit Herkunftsort des Objektlichts, ein Spektrum des Objektlichts zu erstellen. Vorzugsweise kann die Auswerteeinheit basierend auf dem jeweiligen Interferenzmuster ein spektral abhängiges Bild des Untersuchungsgegenstandes erstellen.
• Von Vorteil ist es, wenn von der Auswerteeinheit ermittelte spektrale Informationen zur Erstellung von einem und/oder mehreren Farbbildern des Untersuchungsgegenstandes herangezogen werden. Beispielsweise kann das genannte spektral abhängige Bild ein ortsaufgelöstes Bild des Untersuchungsgegenstandes mit Farbinformation sein.
• Aufgrund der Dispersion des Diffraktionselementes ist im vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel der Kippwinkel zwischen den Wellenfronten der beiden gebeugten Lichtkomponenten abhängig von der Wellenlänge des Objektlichts und umso größer, je größer die Abweichung der Wellenlänge von einer vorgegebenen Wellenlänge ist. Bei der Selbstinterferenz des Objektlichtes ist dieser Winkel charakteristisch für die Wellenlänge und ergibt sich durch den wellenlängenabhängigen Beugungswinkel am Diffraktionselement.
• Der Kippwinkel zwischen den Wellenfronten kann insbesondere verschwinden, wenn Licht einer vorgegebenen Wellenlänge auf das Diffraktionselement fällt und die Bragg-Bedingung genau erfüllt ist. Ist die Bragg-Bedingung erfüllt, ist der Kippwinkel unabhängig von dem Winkel des Objektlichts einfallsseitig in Bezug auf die vorgegebene Einfallsrichtung und damit unabhängig davon, aus welchem Bereich des Untersuchungsgegenstandes das Objektlicht stammt.
• Der Kippwinkel zwischen den Wellenfronten der ersten und zweiten Lichtkomponente ist insbesondere doppelt so groß wie ein Winkel zwischen der Beugungsrichtung in die erste Ordnung für die erste oder zweite Lichtkomponente bei der vorgegebenen Wellenlänge und der Beugungsrichtung in die erste Ordnung für die von dieser abweichende Wellenlänge. Aufgrund des doppelten Durchgangs von Objektlicht durch das Diffraktionselement ergibt sich der doppelte Winkel infolge der Dispersion dadurch, dass sowohl die erste Lichtkomponente als auch die zweite Lichtkomponente gebeugt werden. In Ausbreitungsrichtung des Objektlichts werden die beiden Lichtkomponenten in einer von der jeweils anderen Lichtkomponente weg weisenden Richtung gebeugt und weisen damit zwischen sich den doppelten Winkel auf, um den jede Lichtkomponente am Diffraktionselement in Bezug auf die vorgegebene Wellenlänge gebeugt wird.
• Das Diffraktionselement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass in Bezug auf eine vorgegebene Wellenlänge jeweils 50% oder ungefähr 50% des Objektlichts als erste Lichtkomponente transmittiert oder als zweite Lichtkomponente gebeugt werden.
• Das Diffraktionselement ist vorzugsweise in Littrow-Anordnung relativ zur definierten Einfallsrichtung in Bezug auf die vorgegebene Wellenlänge positioniert, bei der ein Einfallswinkel des Objektlichts auf das Diffraktionselement einem Beugungswinkel der zweiten Lichtkomponente in die erste Ordnung entspricht. Beispielsweise fällt Einfallslicht in der definierten Einfallsrichtung unter einem Littrow-Winkel von 45° auf das Diffraktionselement, wobei die Beugungsrichtung in die erste Ordnung unter erfüllter Bragg-Bedingung einen Winkel zur Einfallsrichtung von 90° aufweist. Die erste und die zweite Lichtkomponente können unter einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet sein.
• Im Zusammenhang mit dem Diffraktionselement wurde bereits auf Reflexionselemente in den Lichtpfaden der ersten und der zweiten Lichtkomponente eingegangen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Reflexionselemente werden nachfolgend erläutert.
• Günstig kann es sein, wenn die Vorrichtung der ersten Lichtkomponente zugeordnet mindestens ein erstes Reflexionselement umfasst, an dem die erste Lichtkomponente in Richtung des mindestens einen optischen Elementes reflektiert wird, und/oder mindestens ein zweites Reflexionselement, an dem die zweite Lichtkomponente in Richtung des mindestens einen optischen Elementes reflektiert wird. Eine derartige Ausführungsform erweist sich zum Beispiel als vorteilhaft für einen kompakten Aufbau in Kombination mit dem vorstehend erwähnten Strahlteilerwürfel oder der Strahlteilerplatte.
• Vorgesehen sein kann beispielsweise, dass die erste Lichtkomponente vom mindestens einen Strahlteilerelement transmittiert und nach Reflexion am mindestens einen ersten Reflexionselement am mindestens einen optischen Element reflektiert wird, und dass die zweite Lichtkomponente am mindestens einen Strahlteilerelement reflektiert wird und nach Reflexion am mindestens einen zweiten Reflexionselement vom mindestens einen optischen Element transmittiert wird. In Kombination mit dem Strahlteilerwürfel oder der Strahlteilerplatte ergibt sich hierbei insbesondere ein doppelter Durchgang der jeweiligen Lichtkomponente - einmal Transmission und einmal Reflexion - verbunden mit einer erhöhten räumlichen Auflösung. Die Auflösung ist beispielsweise doppelt so groß oder im Wesentlichen doppelt so groß ist wie bei nur einfachem Durchgang und beruht insbesondere auf der Wellenfrontinversion im Lichtpfad zumindest einer Lichtkomponente.
• Wünschenswert kann es sein, die Wegdifferenzen zwischen der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente vom mindestens einen Strahlteilerelement zum jeweiligen Reflexionselement und zum mindestens einen optischen Element gering zu halten. Beide Lichtkomponenten können hierbei einen gleichlangen Lichtweg aufweisen.
• Andererseits kann vorgesehen sein, dass gezielt unterschiedlich lange Lichtwege eingesetzt werden, wobei die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente vom mindestens einen Strahlteilerelement zum jeweiligen Reflexionselement und zum mindestens einen optischen Element unterschiedlich lange Lichtwege durchlaufen.
• Beispielsweise ist die Vorrichtung ausgebildet, bei letzterer Ausführungsform über eine Beleuchtungseinheit aufeinanderfolgend Licht mit zwei voneinander unterschiedlichen Beleuchtungs- oder Anregungswellenlängen zu emittieren, wobei infolge der unterschiedlich langen Lichtwege ein Phasenunterschied der dabei jeweils auftretenden Interferenzmuster zueinander erzielbar ist. Der Phasenunterschied beträgt vorzugsweise 180° (Pi) und bewirkt eine Verschiebung der Fringes um eine halbe Welle.
• Vorteilhafterweise kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, sich aus den phasenverschobenen Interferenzmustern ergebende Bilder voneinander abzuziehen. Dies erlaubt es beispielsweise, Hintergrundsignalbeiträge - allgemein insbesondere inkohärente und/oder breitbandige Hintergrundsignalbeiträge - zu reduzieren und idealerweise zu eliminieren. Zugleich kann das Nutzsignal erhöht werden, wobei im besten Fall sogar eine Verdopplung denkbar ist.
• Vorgesehen sein kann, dass Objektlicht, das in der definierten Einfallsrichtung einfällt, unter einem Winkel von 45° oder im Wesentlichen 45° auf das mindestens eine Strahlteilerelement einfällt. Hierbei kann die zweite oder erste Lichtkomponente bezüglich der Einfallsrichtung um 90° oder im Wesentlichen 90° abgelenkt und am mindestens einen zweiten Reflexionselement in sich reflektiert werden. Die erste Lichtkomponente wird beispielsweise vom mindestens einen Strahlteilerelement transmittiert und am mindestens einen ersten Reflexionselement in sich reflektiert. Am mindestens einen optischen Element kann die erste Lichtkomponente so reflektiert werden, dass sie in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung einen Winkel von 90° oder im Wesentlichen 90° aufweist.
• Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von Reflexionselementen (ersten und/oder zweiten Reflexionselementen) vorgesehen ist, die seitlich nebeneinander angeordnet sind und die jeweils eine Sub-Apertur für die erste Lichtkomponente oder die zweite Lichtkomponente ausbilden. Die Reflexionselemente sind vorzugsweise identisch ausgestaltet. Vorgesehen sein kann, dass die ersten Reflexionselemente identisch zu den zweiten Reflexionselementen ausgestaltet sind. Beispielsweise sind die ersten und/oder zweiten Reflexionselemente seitlich nebeneinander angeordnet. Vorgesehen sein kann ein Array von ersten und/oder zweiten Reflexionselementen.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst oder bildet das mindestens eine erste Reflexionselement und/oder das mindestens eine zweite Reflexionselement ein Retroreflektorelement.
• Das mindestens eine erste und/oder zweite Reflexionselement, insbesondere das Retroreflektorelement, umfasst beispielsweise eine vorzugsweise sphärische Linse und einen Spiegel, beispielsweise einen Hohlspiegel. Beispielsweise ist eine Mehrzahl von Linsen und diesen zugeordneten Hohlspiegeln vorgesehen, wobei diese jeweils mindestens eine Sub-Apertur im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und/oder zweiten Lichtkomponente bilden. Denkbar ist eine Array-Anordnung von Linsen und diesen zugeordneten Hohlspiegeln. Die Linsen können zum Beispiel Mikrolinsen sein.
• Zum Einsatz kommen kann beispielsweise ein Array aus Mikrolinsen mit vorgegebener Mittendicke, wobei die bezogen auf die Einfallsrichtung hintere Linsenoberfläche zum Bilden des Spiegels verspiegelt ist und dadurch wie der oben genannte Hohlspiegel wirkt. Vorteilhaft ist hierbei der monolithische Aufbau von Linse und Spiegel.
• Über die Retroreflektorelemente werden beispielsweise im Lichtpfad der ersten oder zweiten Lichtkomponente Sub-Aperturen in zwei Raumrichtungen definiert.
• Das mindestens eine erste und/oder zweite Reflexionselement kann bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Beispiel zwei in einem Winkel, insbesondere 90° oder im Wesentlichen 90°, zueinander ausgerichtete Seiten umfassen. Eine jeweilige Seite kann insbesondere zur jeweiligen Reflexion des Objektlichts ausgebildet sein. Beispielsweise fällt Objektlicht auf eine erste der zwei Seiten ein, wird in Richtung der zweiten Seite reflektiert und von dieser in Richtung des mindestens einen optischen Elementes. Das mindestens eine Reflexionselement kann im Querschnitt zum Beispiel gleichschenklig-rechtwinklig ausgestaltet sein, mit einem Winkel von 90° zwischen den Seiten.
• Das mindestens eine Reflexionselement der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist oder umfasst beispielsweise ein Umkehrprisma, insbesondere ein Dachkantprisma. Hierbei sind die reflektierenden Seiten zum Beispiel an den Katheten angeordnet. Die Hypotenuse ist insbesondere dem mindestens einen optischen Element zugewandt.
• Im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente ist vorzugsweise jeweils mindestens ein Reflexionselement vorgesehen, wobei die Reflexionselemente entlang jeweiliger Raumrichtungen erstreckt sind, die in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind. Der Winkel kann insbesondere 90° oder im Wesentlichen 90° betragen. In den Lichtpfaden der ersten und der zweiten Lichtkomponente sind die Reflexionselemente beispielsweise um einen Winkel verdreht zueinander angeordnet. Auf diese Weise können Sub-Aperturen in unterschiedlichen Raumrichtungen in einem jeweiligen Lichtpfad gebildet werden.
• An der Detektionseinheit können Sub-Aperturen in obigem Fall zum Beispiel in zwei Richtungen ausgerichtet sein, aufgrund des Winkels zwischen den Reflexionselementen in den jeweiligen Lichtpfaden. Dies gibt zum Beispiel die Möglichkeit eines schachbrettartigen Interferenzmusters, bei dem Streifen in zwei Richtungen bei der Selbstinterferenz auftreten.
• Die Reflexionselemente sind bei der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform beispielsweise Umkehrprismen, insbesondere Dachkantprismen.
• Vorgesehen sein kann, dass das mindestens eine Reflexionselement im Lichtpfad einer Lichtkomponente ein Planspiegel oder ein Hohlspiegel ist. Hier erfolgt insbesondere im Lichtpfad der anderen Lichtkomponente eine Wellenfrontinversion in zwei Raumrichtungen.
• Der Hohlspiegel im Lichtpfad einer Lichtkomponente kann zum Beispiel mit Sub-Aperturen der vorstehend beschriebenen Arten im Lichtpfad der anderen Lichtkomponente kombiniert werden. Dies bietet die Möglichkeit, dass vor der Detektionseinheit Sub-Apertur-abhängig verschiedene Phasenfronten des Objektlichts abhängig davon bestehen, welcher Bereich des Hohlspiegels beleuchtet wird.
• Kommt ein Planspiegel zum Einsatz, weisen Phasenfronten von Licht der entsprechenden Lichtkomponente vergleichbare Beträge auf. Vor der Detektionseinheit entstehen unabhängig von eventuellen wellenlängenabhängigen Aberrationen bis auf Offsetphasen identische Interferenzmuster, solange der Untersuchungsgegenstand im Fokus liegt. Optional können wellenlängenabhängige Aberrationen von der Auswerteeinheit bei Bedarf für die Auswertung ausgenutzt werden.
• Der Einsatz eines Hohlspiegels kann sich als vorteilhaft erweisen, um Phasenfronten und/oder Reflexionswinkel der entsprechenden Lichtkomponente, je nach Auftreffpunkt auf dem Hohlspiegel, gezielt zu variieren und dadurch den Lichtweg relativ zur anderen Lichtkomponente zu beeinflussen. Dies bietet beispielsweise die Möglichkeit, bei einer spektralen bildgebenden Vorrichtung Objektlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen, beispielsweise beruhend auf mehreren gleichzeitig eingestrahlten Wellenlängenbereichen, voneinander zu trennen. Dadurch können räumliche Beiträge von Objektlicht beruhend auf der Herkunft aus dem Untersuchungsgegenstand einerseits und spektrale Beiträge von Objektlicht andererseits von der Auswerteeinheit voneinander separiert werden. Die Unterscheidung kann dadurch getroffen werden, dass sich die Lichtwege zwischen den Lichtkomponenten innerhalb verschiedener Sub-Aperturen aufgrund der unterschiedlichen Phasenfronten und/oder Reflexionswinkel voneinander unterscheiden. Der Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten, der sich aufgrund der unterschiedlichen Herkunft von Objektlicht aus dem Untersuchungsgegenstand ergibt, und der Kippwinkel zwischen Wellenfronten aufgrund der spektralen Zerlegung sind somit von der Auswerteeinheit rechnerisch separierbar.
• Die Vorrichtung ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zur spektroskopischen Untersuchung des Untersuchungsgegenstandes ausgestaltet und bildet dementsprechend bevorzugt eine spektroskopische bildgebende Vorrichtung.
• Das mindestens eine Reflexionselement mit den beiden im Winkel zueinander ausgerichteten Seiten ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Seiten in Einfallsrichtung des Objektlichts jeweils ein Diffraktionselement aufweisen, wobei einfallendes Objektlicht am jeweiligen Diffraktionselement wellenlängenabhängig gebeugt wird, wobei insbesondere Objektlicht einer vorgegebenen Wellenlänge parallel zurückgestrahlt wird. Die Anordnung mit den Diffraktionselementen „wirkt“ daher als Reflexionselement für die vorgegebene Wellenlänge. Bei dieser Wellenlänge ist zum Beispiel die Bragg-Bedingung an jedem Diffraktionselement erfüllt, so dass am jeweiligen Diffraktionselement eine Ablenkung um 90° und damit insgesamt eine 180°-Ablenkung erfolgt. Für eine von der vorgegebenen Wellenlänge abweichende Wellenlänge tritt infolge der Beugung eine Rückstrahlung der Lichtkomponente mit Winkelversatz in Bezug auf die Einfallsrichtung auf.
• Das Objektlicht der vorgegebenen Wellenlänge wird vorzugsweise unabhängig vom Winkel der Einfallsrichtung in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung parallel zurückgestrahlt. Bei abweichender Wellenlänge, hierauf wird nachfolgend eingegangen, ergeben sich durch Beugung am jeweiligen Diffraktionselement unterschiedliche Winkel bei ausfallendem Objektlicht, die zur spektroskopischen Auswertung herangezogen werden können.
• Beispielsweise ist zur Umsetzung bei der spektroskopischen Auswertung ein Umkehrprisma und insbesondere Dachkantprisma vorgesehen, das so orientiert ist, dass dessen „Kante“ dem einfallenden Objektlicht zugewandt ist. Die Seiten des Reflexionselementes mit Diffraktionselementen sind zum Beispiel an den von der Kante ausgehenden Katheten angeordnet. Die Hypotenuse ist der Einfallsrichtung des Objektlichtes abgewandt.
• Objektlicht einer von der vorgegebenen Wellenlänge abweichenden Wellenlänge fällt insbesondere nach Beugung an beiden Diffraktionselementen mit einer ersten Wellenfront und einer zweiten Wellenfront auf die Detektionseinheit, wobei die Wellenfronten relativ zueinander um einen Kippwinkel gekippt sind und zu einem jeweiligen Interferenzmuster interferieren, wobei die Auswerteeinheit hierauf basierend die abweichende Wellenlänge ermittelt. Der Kippwinkel zwischen den Wellenfronten hängt ab von der Wellenlängendifferenz zwischen der vorgegebenen Wellenlänge und der von dieser abweichenden Wellenlänge. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der Dachkantprismen mit zwei Diffraktionselementen zum Einsatz kommen, kann der Kippwinkel viermal so groß sein wie ein Winkel zwischen der Beugungsrichtung bei der vorgegebenen Wellenlänge in die erste Ordnung und der Beugungsrichtung in die erste Ordnung für die von dieser abweichende Wellenlänge an nur einem der Diffraktionselemente. Auf diese Weise kann über die Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform eine spektrale Auflösung erzielt werden, die günstigerweise viermal so groß oder im Wesentlichen viermal so groß ist, wie wenn zum Beispiel Objektlicht durch nur ein Diffraktionselement gebeugt wird.
• Das jeweilige Diffraktionselement ist beispielsweise ein Phasengitter, insbesondere ein VPH.
• Die Beugung des Objektlichts der vorgegebenen Wellenlänge am Diffraktionselement erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen in die erste Ordnung.
• Es versteht sich, dass das mindestens eine Reflexionselement mit Diffraktionselementen im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente vorgesehen sein kann und im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente.
• Objektlicht außerhalb eines vorgegebenen Spektralbereichs ist vorzugsweise aus der Vorrichtung auskoppelbar, insbesondere über das mindestens eine Reflexionselement.
• Die Vorrichtung kann bei einer bevorzugten Ausführungsform mindestens eine Wellenfrontinversionseinheit umfassen, die der Detektionseinheit vorgelagert ist und die eingangsseitig das mindestens eine Strahlteilerelement und ausgangsseitig das mindestens eine optische Element umfasst, die diffraktiv ausgestaltet sind und bezogen auf die Einfallsrichtung des Objektlichtes einen gemeinsamen Fokus aufweisen, wobei am mindestens einen Strahlteilerelement und am mindestens einen optischen Element die erste Lichtkomponente des Objektlichtes unabgelenkt transmittiert wird und die zweite Lichtkomponente des Objektlichtes gebeugt wird. Die Wellenfront der ersten Lichtkomponente passiert das mindestens eine Strahlteilerelement und das mindestens eine optische Element unabgelenkt. Demgegenüber wird die Wellenfront der zweiten Lichtkomponente durch Beugung am mindestens einen Strahlteilerelement und erneute Beugung am mindestens einen optischen Element invertiert. Die Wellenfrontinversionseinheiten sind so angeordnet und eingerichtet, dass die Wellenfronten der ersten und der zweiten Lichtkomponente einen Neigungswinkel zueinander aufweisen, wenn einfallendes Objektlicht im Winkel zur definierten Einfallsrichtung ausgerichtet ist.
• Das mindestens eine Strahlteilerelement und das mindestens eine optische Element sind bei der Wellenfrontinversionseinheit beispielsweise als Phasengitter ausgestaltet, zum Beispiel VPHs oder GPHs (Geometrische-Phasen-Hologramme, Geometric Phase Holograms).
• Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Wellenfrontinversionseinheiten vorgesehen, die eine jeweilige Sub-Apertur ausbilden und jeweils einem Abschnitt der Detektionseinheit vorgelagert positioniert sind. Die Wellenfrontinversionseinheiten sind vorzugsweise identisch ausgestaltet und zum Beispiel seitlich nebeneinanderliegend vor der Detektionseinheit positioniert.
• Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Beleuchtungseinheit, die mindestens eine Lichtquelle zum Beleuchten des Untersuchungsgegenstandes umfasst. Die Beleuchtung kann breitbandig und/oder schmalbandig sein. Als schmalbandig kann zum Beispiel Licht mit einer Linienbreite von kleiner oder gleich ungefähr 1 nm angesehen werden. Das von der Lichtquelle emittierte Licht kann zum Beispiel Beleuchtungslicht oder Anregungslicht sein.
• Die Vorrichtung ist vorzugsweise ausgestaltet, spektral voneinander unterschiedliche Bilder des Untersuchungsgegenstandes abhängig von zwei oder mehr Spektralbereichen eines Beleuchtungslichts und/oder Objektlichts zu erstellen.
• Beispielsweise ist mittels der Beleuchtungseinheit zeitlich aufeinanderfolgend Beleuchtungslicht unterschiedlicher Wellenlängen emittierbar, wobei die Auswerteeinheit mit der Beleuchtungseinheit synchronisiert ist, um abhängig von der Emission von Licht unterschiedlicher Wellenlängen jeweils ein Bild des Untersuchungsgegenstandes zu erstellen. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Bildern bei Beleuchtungslicht unterschiedlicher Wellenlängen erstellt werden, wobei die Bilder von der Auswerteeinheit übereinandergelegt werden können. Hierbei kann zum Beispiel eine schmalbandige Beleuchtung über die Beleuchtungseinheit ausreichend sein. Beispielsweise werden ortsaufgelöste Farbbilder des Untersuchungsgegenstandes mit zwei oder mehr Farbkanälen übereinandergelegt.
• „Unterschiedliche Wellenlängen“ können insbesondere unterschiedliche spektrale Bereiche sein. Die Bereiche können einander spektral überlappen oder spektral getrennt voneinander sein.
• Beispielsweise ist mittels der Beleuchtungseinheit gleichzeitig Beleuchtungslicht in voneinander unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittierbar, die einander nicht oder nur unwesentlich überlappen. Die unterschiedlichen spektralen Anteile des Objektlichts können zum Beispiel wie vorstehend erläutert unter Ausnutzung einer gekrümmten Reflexionsfläche eines Hohlspiegels von den räumlichen Anteilen des Objektlichts getrennt werden.
• Vorgesehen sein kann, dass die Vorrichtung voneinander unterschiedliche Filterelemente mit einer jeweiligen spektralen Signatur umfasst, die in Lichtpfaden der ersten Lichtkomponente und/oder der zweiten Lichtkomponente angeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, Bilder des Untersuchungsgegenstandes abhängig von der spektralen Signatur der Filterelemente zu erstellen. Als Filterelemente kommen beispielsweise Bandpässe zum Einsatz, wobei auch Bandsperren oder Kantenfilter vorgesehen sein können. Aufgrund der Positionierung der Filterelemente interferieren nur diejenigen spektralen Anteile der ersten und der zweiten Lichtkomponente an bestimmten Positionen der Detektionseinheit (beispielsweise Pixeln), welche spektralen Anteile das jeweilige Filterelement passieren können.
• Die Filterelemente sind beispielsweise in Sub-Aperturen im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und/oder der zweiten Lichtkomponente angeordnet, wobei sich die spektralen Signaturen von Filterelementen zumindest von zwei Sub-Aperturen voneinander unterscheiden.
• In der Praxis kann es sich als ausreichend erweisen, wenn bei wellenlängenabhängiger Beleuchtung zum Beispiel drei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche zum Einsatz kommen. In entsprechender Weise können zum Beispiel Filterelemente mit drei voneinander unterschiedlichen spektralen Signaturen vorgesehen sein. In beiden Fällen bietet sich zum Beispiel die Möglichkeit, RGB (Rot/Grün/Blau)-Bilder zu erstellen.
• Filterelemente sind beispielsweise innerhalb eines Lichtpfades vor einem jeweiligen Reflexionselement angeordnet.
• Die Lichtquelle der Beleuchtungseinheit kann beispielsweise eine Laserlichtquelle sein oder umfassen.
• Die Lichtquelle der Beleuchtungseinheit kann beispielsweise eine Breitband-Lichtquelle sein oder umfassen.
• Vorgesehen sein kann, dass über die Beleuchtungseinheit eine (2D-) vollflächige Beleuchtung des Untersuchungsgegenstandes möglich ist, wobei auf obige Ausführungen zum Streufleck verwiesen wird.
• Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass über die Beleuchtungseinheit eine teilweise Beleuchtung des Untersuchungsgegenstandes möglich ist.
• Beleuchtungslicht oder Anregungslicht kann zum Beispiel auf einen mindestens einen Punktfokus oder einen Linienfokus fokussiert werden, wobei sich vorzugsweise jeweils ein ausgedehnter Streufleck ergibt.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Untersuchungsgegenstand über die Beleuchtungseinheit mit einem 2D-Punktfokusmuster beleuchtet werden. Die Punktfokusse weisen beispielsweise aufgrund von Streuung am Untersuchungsgegenstand eine gewisse räumliche Ausdehnung auf. Das Punktfokusmuster ist vorzugsweise regelmäßig.
• „Punktfokus“ und/oder „Linienfokus“ bedeutet im vorliegenden Fall nicht zwingend, dass ein geometrischer punktförmiger Fokus bzw. ein geometrischer linienförmiger Fokus vorhanden ist. Insbesondere kann zum Beispiel eine Fokussierung auf einen ausgedehnten Punkt oder eine Fokussierung auf eine ausgedehnte Linie erfolgen. Der Einfachheit halber werden nachfolgend die Begriffe „Punktfokus“ und „Linienfokus“ verwendet.
• Vorgesehen sein kann, dass über die Beleuchtungseinheit eine Beleuchtung des Untersuchungsgegenstandes erfolgt, die von diesem emittierte Strahlung jedoch eine andere Wellenlänge als das eingestrahlte Licht aufweist und nur diese Strahlung mit anderer Wellenlänge gemessen wird, beispielsweise bei Raman-Spektroskopie oder Fluoreszenzspektroskopie.
• Abweichend von den vorigen Ausführungen kann vorgesehen sein, dass keine Beleuchtung des Untersuchungsgegenstandes erfolgt, auch wenn die Vorrichtung eine Beleuchtungseinheit umfasst. Beispielsweise kann eine Beleuchtung bei selbstleuchtenden Untersuchungsgegenständen unterbleiben.
• Die Vorrichtung umfasst dem mindestens einen Strahlteilerelement in Bezug auf die Einfallsrichtung vorgelagert vorzugsweise eine konvexe Linse oder einen Hohlspiegel zum Sammeln von Objektlicht ausgehend vom Untersuchungsgegenstand. Bei einem Punktfokus kommt beispielsweise eine sphärische Linse zum Einsatz. Bei einem Linienfokus kann die Linse beispielsweise eine Zylinderlinse sein, wobei auch eine Kombination mit einer sphärischen Linse möglich ist. Alternativ kann, zum Beispiel bei in einer Linie von nebeneinanderliegenden einzelnen Fokussen, ein eindimensionales Linsenarray mit sphärischen Linsen vorgesehen sein.
• Die Vorrichtung umfasst dem mindestens einen Strahlteilerelement in Bezug auf die Einfallsrichtung vorgelagert beispielsweise mindestens ein Blockierelement zum Filtern oder Reflektieren von Objektlicht außerhalb eines vorgegebenen Spektralbereiches. Beispielsweise kommt als Blockierelement ein VPH zum Einsatz, das in der Lage ist, mehrere Größenordnungen unerwünschter Spektralbereiche zu unterdrücken.
• Die Vorrichtung kann vorzugsweise frei von bewegten mechanischen Elementen sein. Dies begünstigt einen kompakten Aufbau und eine zuverlässige Funktion der Vorrichtung.
• Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
• 1: eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen bildgebenden Vorrichtung in schematischer Darstellung;
• 2 und 3: schematische Darstellungen von Reflexionselementen der Vorrichtung aus 1 in Blickrichtung der Pfeile „2“ bzw. „3“ in 1;
• 4: eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;
• 5: eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;
• 6: eine vergrößerte Darstellung im Bereich des Details A in 1 bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 7: eine vergrößerte Darstellung von Detail B in 6, wobei Lichtstrahlen eingezeichnet sind;
• 8: eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 9: eine vergrößerte Detaildarstellung von Detail C in 8; und
• 10: eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung.
• Nachfolgend wird unter Verweis auf die Zeichnung auf verschiedenartige bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen bildgebenden Vorrichtung eingegangen. Zunächst wird unter Verweis auf die 1 bis 3 eine erste bevorzugte Ausführungsform erläutert, die mit dem Bezugszeichen 10 belegt ist. Im Anschluss daran wird auf weitere bevorzugte Ausführungsformen Bezug genommen. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile werden identische Bezugszeichen benutzt. Es werden in Bezug auf die weiteren bevorzugten Ausführungsformen lediglich die wesentlichen Unterschiede in Bezug auf die zuerst erwähnte vorteilhafte Ausführungsform erwähnt. Die im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform erzielbaren Vorteile können bei den weiteren Ausführungsformen ebenfalls erzielt werden, auch wenn dies nicht im Einzelnen erläutert wird.
• 1 zeigt eine Anwendung der Vorrichtung 10 bei der Untersuchung eines Untersuchungsgegenstandes 12. Hierbei kann es sich zum Beispiel um einen mechanischen oder lebenden Gegenstand handeln.
• Insgesamt allerdings erweist sich die Vorrichtung 10 als vorteilhaft für den Einsatz in Apparaturen, mit denen der Untersuchungsgegenstand 12 bei bewegter Vorrichtung 10 räumlich abgetastet wird und währenddessen beispielsweise ortsfest verbleibt.
• Die Vorrichtung 10 umfasst eine Beleuchtungseinheit 14, mindestens eine Fokussierlinse 16, mindestens eine Sammellinse 18, ein Blockierelement 20, einen Strahlteilerwürfel 22 mit Strahlteilerschicht 24, Reflexionselemente 62, eine Detektionseinheit 28 und eine Auswerteeinheit 30. Hierbei sind insbesondere die Linsen 16, 18, das Blockierelement 20 und die konkrete Ausprägung des Strahlteilerwürfels 22 optional.
• Die Vorrichtung 10 kann ein in 1 schematisch angedeutetes Gehäuse 32 aufweisen, in dem deren Komponenten angeordnet sind. Vorgesehen sein kann, dass einzelne der vorstehend genannten Komponenten außerhalb des Gehäuses 32 angeordnet sind.
• Beispielsweise ist die Auswerteeinheit 30 außerhalb des Gehäuses 32 angeordnet. Die Auswerteeinheit 30 ist mit der Detektionseinheit 28 und insbesondere mit der Beleuchtungseinheit 14 gekoppelt. Hierbei kann eine kabelgebundene und/oder eine kabellose Kopplung vorgesehen sein.
• Bei der beispielhaften Anwendung der Vorrichtung 10 emittiert eine Lichtquelle 34 der Beleuchtungseinheit 14 Beleuchtungslicht 36. Die Lichtquelle 34 ist zum Beispiel eine Laserlichtquelle.
• Die Beleuchtungseinheit 14 kann zur schmalbandigen und/oder breitbandigen Beleuchtung ausgelegt sein. Denkbar ist eine fokussierte Beleuchtung und/oder eine vollflächige Beleuchtung des Untersuchungsgegenstandes 12. Bei einigen Anwendungen kann eine vollflächige Beleuchtung vorgesehen sein. Vollflächige Beleuchtung kann zum Beispiel bei einem ausgedehnten großen Streufleck gegeben sein.
• Bei einer andersartigen Anwendung kann vorgesehen sein, dass der Untersuchungsgegenstand 12 selbstleuchtend ist und daher unbeleuchtet bleiben kann. Eine beispielhafte Anwendung findet sich im Bereich des Laserschweißens, wobei der Untersuchungsgegenstand 12 im Bereich einer Fügestelle von miteinander zu verbindenden Werkstücken liegt.
• Das Beleuchtungslicht 36 wird im vorliegenden Beispiel über die Fokussierlinse 16 auf den Untersuchungsgegenstand 12 fokussiert und beleuchtet diesen im Bereich eines Fokusses. Die Beleuchtung erfolgt über einen ausgebreiteten Streufleck 38. Bei der vorliegenden Anwendung beträgt ein Durchmesser des Streuflecks 38 typischerweise deutlich mehr als ungefähr 100 µm, beispielsweise ungefähr 1 mm bis 5 mm.
• Der Fokus kann zum Beispiel ein Punktfokus oder ein Linienfokus sein. Vorzugsweise kann eine Beleuchtung mittels eines 2D-Punktfokusmusters erfolgen, das bevorzugt regelmäßig ist. Alternativ wird zum Beispiel, wie erwähnt, 2D-vollflächig beleuchtet.
• Die Sammellinse 18 kann eine sphärisch gekrümmte Linse oder eine Zylinderlinse sein. In letztem Fall kann alternativ ein eindimensionales Linsenarray mit sphärischen Linsen zum Einsatz kommen. Die Linsen sind zum Beispiel Mikrolinsen, die im vorliegenden Beispiel senkrecht zur Zeichnungsebene (Y-Richtung) seitlich nebeneinander angeordnet sind. In entsprechender Weise kann die Zylinderlinse senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt sein.
• Vom Untersuchungsgegenstand 12 ausgehendes Objektlicht kann in eine Eingangsapertur 40 der Vorrichtung 10 einfallen. Die Eingangsapertur 40 wird vorliegend durch die Sammellinse 18 definiert. Objektlicht unerwünschter spektraler Bereiche kann vom Blockierelement 20 blockiert werden. Zu diesem Zweck ist das Blockierelement 20 zum Beispiel als VPH 42 ausgestaltet.
• Vorgesehen ist insbesondere, dass der Untersuchungsgegenstand 12 in der Fokalebene der Sammellinse 18 positioniert ist. Einfallendes Objektlicht weist dadurch nach Durchgang durch die Sammellinse 18 eine im Wesentlichen planare Wellenfront auf. Wie eingangs erläutert können rechnerisch Beiträge, die mit einer gekrümmten Wellenfront einfallen, Ebenen außerhalb der Fokalebene zugeordnet werden.
• Die Vorrichtung 10 weist eine definierte Einfallsrichtung 44 auf. Die Einfallsrichtung 44 wird beispielsweise durch die optische Achse der Sammellinse 18 definiert.
• Nachfolgend wird in Bezug auf das Objektlicht auch von „Lichtstrahlen“ gesprochen, obwohl die Wellennatur des Objektlichtes für die Funktionsweise der Vorrichtung 10 wesentlich ist. Die Verwendung des Begriffs „Strahl“ dient lediglich der einfacheren Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung.
• Objektlicht, das in der definierten Einfallsrichtung 44 einfällt, ist in 1 mit dem Bezugszeichen 46 gekennzeichnet. Dieses Objektlicht 46 weist eine Wellenfront 48 auf. Objektlicht 46 stammt aus dem Bereich des geometrischen Fokusses des Streuflecks 38.
• Demgegenüber kann Objektlicht, das in 1 mit dem Bezugszeichen 50 gekennzeichnet ist, relativ zur Einfallsrichtung 44 einen Winkel β aufweisen. Dieses Objektlicht 50 stammt aus Bereichen des Streuflecks 38, die außerhalb des geometrischen Fokusses liegen. Das Objektlicht 50 weist eine Wellenfront 52 auf. Die Wellenfront 52 ist relativ zur Wellenfront 48 ebenfalls um den Winkel β geneigt.
• Der Winkel β ist kennzeichnend dafür, aus welchem Bereich des Streuflecks 38 Objektlicht stammt. Dieser Bereich kann bestimmt werden, indem der Winkel mit der Brennweite der Sammellinse 18 multipliziert wird. Dementsprechend kann ein Bild des Untersuchungsgegenstandes 12 zumindest im Bereich des Streuflecks 38 erstellt werden. Die Beiträge von Objektlicht aus verschiedenen Bereichen, das unter verschiedenen Winkeln β einfällt, werden dabei addiert.
• Rechnerisch kann dies insbesondere dadurch umgesetzt werden, dass sich die Interferenzstreifen, welche in ihrer Frequenz proportional zu β sind, auf dem Detektor addieren und durch Frequenzanalyse (Fouriertransformation) von der Auswerteeinheit 30 zu einem zusammenhängenden Bild zusammengesetzt werden.
• Durch ein räumliches Abtasten des Untersuchungsgegenstandes 12 kann insgesamt ein zusammenhängendes Bild erstellt werden.
• Es versteht sich, dass vom Streufleck 38 insgesamt Objektlicht in die Eingangsapertur 40 einfällt. Das Objektlicht 46 und das Objektlicht 50 stellen einen jeweiligen Anteil des insgesamt einfallenden Objektlichtes dar.
• Zunächst wird auf den Lichtweg des in der Einfallsrichtung 44 einfallenden Objektlichts 46 eingegangen.
• Die Strahlteilerschicht 24 bildet für einfallendes Objektlicht ein Strahlteilerelement 54. Für ausgehendes, in Richtung der Detektionseinheit 28 reflektiertes Objektlicht bildet die Strahlteilerschicht 24 das vorstehend erwähnte optische Element 56.
• Das Objektlicht 50 wird vom Strahlteilerelement 54 in eine erste Lichtkomponente und in eine zweite Lichtkomponente aufgeteilt. Vorzugsweise erfolgt hierbei eine Aufteilung jeweils zur Hälfte. Die erste Lichtkomponente (Strahl 58) wird im vorliegenden Beispiel vom Strahlteilerelement 54 transmittiert. Die zweite Lichtkomponente (Strahl 60) wird vorliegend vom Strahlteilerelement 54 reflektiert.
• Die Vorrichtung 10 ist so eingerichtet, dass Objektlicht 46 in der definierten Einfallsrichtung 44 die erste Lichtkomponente ablenkungsfrei transmittiert und die zweite Lichtkomponente relativ zur Einfallsrichtung 44 um 90° reflektiert wird.
• Im Lichtweg der ersten Lichtkomponente weist die Vorrichtung 10 mindestens ein Reflexionselement 62 auf. Vorliegend sind mehrere Reflexionselemente 62 vorgesehen, ausgestaltet als Umkehrprismen und insbesondere als Dachkantprismen 64. Die Dachkantprismen 64 sind seitlich nebeneinander in einer ersten Raumrichtung (vorliegend X) angeordnet. In einer jeweiligen weiteren Raumrichtung (vorliegend Y) weisen die Dachkantprismen 64 eine Längserstreckung auf (2).
• Vorliegend sind die Dachkantprismen 64 identisch ausgestaltet.
• Ein jeweiliges Dachkantprisma 64 umfasst zwei im Winkel zueinander angeordnete Seiten 66, 68. Der Winkel zwischen den Seiten 66, 68 beträgt vorliegend 90°. Insbesondere sind die Dachkantprismen 64 im Querschnitt gleichschenklig-rechtwinklig gebildet. Hierbei ist die Hypotenuse der Strahlteilerschicht 24 zugewandt. Die Seiten 66, 68 sind von den jeweiligen Katheten gebildet.
• An den jeweiligen Seiten 66, 68 wird die erste Lichtkomponente reflektiert und parallel zum Strahl 58 zurückgeworfen (Strahl 70). Die erste Lichtkomponente fällt auf die als optisches Element 56 wirkende Strahlteilerschicht 24 und wird in Richtung der Detektionseinheit 28 reflektiert (Strahl 72).
• Durch die Reflexionselemente 62 und die nachfolgende Reflexion an der Strahlteilerschicht 24 wird die Wellenfront 74 der ersten Lichtkomponente in Bezug auf die Wellenfront der zweiten Lichtkomponente in einer Raumrichtung invertiert.
• Die zweite Lichtkomponente wird gemäß dem Strahl 60 in Richtung von Reflexionselementen 76 reflektiert. Die Reflexionselemente 76 sind vorliegend ebenfalls Dachkantprismen 64, die vorzugsweise identisch zu den Dachkantprismen 64 im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente ausgestaltet sind. Auf obige Ausführungen wird verwiesen.
• Die Dachkantprismen 64 im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente sind hinsichtlich ihrer Orientierung relativ zu den Dachkantprismen 64 im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente jedoch um 90° gedreht angeordnet (3). Diese Dachkantprismen 64 weisen dementsprechend in der Z-Richtung eine Längserstreckung auf. In der Y-Richtung sind sie seitlich nebeneinander angeordnet.
• Infolgedessen wirken die Dachkantprismen 64 im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente in der X-Z-Ebene (1) lediglich als Spiegel. Die Dachkantprismen 64 im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente wirken in der Y-Z-Ebene lediglich als Spiegel.
• Der Strahl 60 wird daher (in der X-Z-Ebene) von den als Spiegel wirkenden Dachkantprismen 64 in sich reflektiert und durch die Strahlteilerschicht 24 transmittiert (Strahl 78). Eine Wellenfront 80 der zweiten Lichtkomponente fällt im vorliegenden Fall mit der Wellenfront 74 der ersten Lichtkomponente zusammen.
• Bei der ersten Lichtkomponente erfolgt die Inversion der Wellenfront 74 in einer Raumrichtung längs der X-Richtung. Demgegenüber erfolgt die Inversion der Wellenfront 80 bei der zweiten Lichtkomponente in einer Raumrichtung längs der Y-Richtung.
• Bei interferierenden Wellenfronten beider Lichtkomponenten lässt sich dadurch ein Interferenzmuster in zwei Raumrichtungen in der Y-Z-Ebene der Detektionseinheit 28 ausbilden, das gewissermaßen schachbrettartig ausgestaltet sein kann.
• Im vorliegenden Beispiel der zusammenfallenden Wellenfronten 74, 80 können diese zwar interferieren, jedoch tragen sie in der Auswerteeinheit 30 nur zu einem konstanten Signal bei, das bei der Auswertung außer Acht gelassen werden kann.
• Anders verhält es sich bei Objektlicht, das in einer von der Einfallsrichtung 44 abweichenden Einfallsrichtung einfällt. Dies wird am Beispiel des Objektlichts 50 erläutert.
• Das Objektlicht 50 wird an der Strahlteilerschicht 24 in die erste Lichtkomponente und in die zweite Lichtkomponente aufgeteilt.
• Die erste Lichtkomponente (Strahl 82) wird von den Dachkantprismen 64 des ersten Lichtpfades parallel reflektiert (Strahl 84) und anschließend unter dem Winkel β relativ zur X-Richtung an der Strahlteilerschicht 24 in Richtung der Detektionseinheit 28 reflektiert (Strahl 86).
• Demgegenüber wird die zweite Lichtkomponente in Bezug auf die X-Richtung unter dem Winkel β in Richtung der Dachkantprismen 64 des zweiten Lichtpfades reflektiert (Strahl 88). In der X-Z-Ebene wirken die Dachkantprismen 64 wie erwähnt als Spiegel, so dass die zweite Lichtkomponente nach dem Reflexionsgesetz erneut unter dem Winkel β in Richtung der Detektionseinheit 28 reflektiert wird (Strahl 90). In Bezug auf den Strahl 88 weist der Strahl 90 daher einen Winkel 2β auf. In entsprechender Weise beträgt der Winkel zwischen den Strahlen 86 der ersten Lichtkomponente und 90 der zweiten Lichtkomponente 2ß.
• Wellenfronten 92 der ersten Lichtkomponente und 94 der zweiten Lichtkomponente, die auf die Detektionseinheit 28 fallen, sind relativ zueinander um den Winkel 2β geneigt.
• Bei der Selbstinterferenz der Lichtkomponenten entsteht aufgrund des Neigungswinkels 2β zwischen den Wellenfronten 92, 94 ein Interferenzmuster. Das Interferenzmuster ist wiederum kennzeichnend für den Winkel β, den das Objektlicht 50 in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung 44 aufweist. Dementsprechend ist das Interferenzmuster kennzeichnend für den Ursprungsort dieses Anteils des Objektlichts im Bereich des Streuflecks 38.
• Die Auswerteeinheit 30 kann, beispielsweise durch Methoden der Fouriertransformation, anhand der Analyse des Interferenzmusters den Winkel β bestimmen, die Herkunft des Objektlichts 50 vom Streufleck 38 ermitteln und dadurch ein Bild des Untersuchungsgegenstandes 12 generieren.
• Im vorliegenden Fall kann durch das 2D-Interferenzmuster ein 2D-Bild des Untersuchungsgegenstandes generiert werden.
• Bei der Vorrichtung 10 kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinheit 14 zur Emission von Licht unterschiedlicher Wellenlängen ausgestaltet ist. Beispielsweise kann Licht unterschiedlicher Wellenlängen zeitlich aufeinanderfolgend ausgesandt werden. Hierbei sind zum Beispiel mehrere spektrale Bereiche, die voneinander getrennt sein können, denkbar.
• Vorgesehen sein können zum Beispiel drei spektrale Bereiche im Sinne einer RGB-Bildgebung.
• Die Auswerteeinheit 30 ist beispielsweise mit der Beleuchtungseinheit 14 synchronisiert und kann abhängig von der jeweiligen Wellenlänge unterschiedliche Bilder des Untersuchungsgegenstandes 12 erstellen. Die Bilder können anschließend zu einem Gesamtbild mit drei Farbkanälen zusammengesetzt werden.
• Von Vorteil kann es sein, wenn Licht außerhalb gewünschter Spektralbereiche über die Vorrichtung 10 ausgekoppelt werden kann. Dies ist beispielhaft an einem Strahl 96 dargestellt, der an der Strahlteilerschicht 24 reflektiert wird (Strahl 98), wobei auch eine Transmission denkbar ist. Der Strahl 98 kann über die Dachkantprismen 64 des zweiten Lichtpfads ausgekoppelt werden. Die Dachkantprismen 64 können zu diesem Zweck mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sein. Vorgesehen sein kann, dass an die Dachkantprismen 64 Gegenprismen optisch angekoppelt sind. Hierbei ist im Bereich der Fügestelle eine Anpassung des Brechungsindex (Indexmatching) vorgesehen. 1 zeigt mit einer gestrichelten Linie 100 entsprechende Gegenprismen im Bereich des ersten Lichtpfades beispielhaft. Es versteht sich, dass derartige Gegenprismen in beiden Lichtpfaden angeordnet sein können.
• Aus den 1 bis 3 geht ferner hervor, dass ein jeweiliges Reflexionselement 62, 76 eine Sub-Apertur 102 ausbildet. Die Sub-Aperturen 102 entsprechend vorzugsweise in ihrer Gesamtheit einer jeweiligen Gesamtapertur 104 der Detektionseinheit 28. 1 stellt dies in der X-Z-Ebene für den ersten Lichtpfad dar. In der Y-Z-Ebene (3) entspricht die Sub-Apertur 102 der Reflexionselemente 76 bevorzugt ebenfalls in ihrer Gesamtheit der Gesamtapertur der Detektionseinheit 28.
• Die Vorrichtung 10 ist so ausgebildet, dass die Gesamtheit der Sub-Aperturen 102 in der X-Richtung oder der Y-Richtung auch der Eingangsapertur 40 entspricht.
• Die Sub-Apertur 102 wird vorliegend durch die Erstreckung der Dachkantprismen 64 längs der Hypotenuse definiert.
• Die Verwendung einer Mehrzahl von Reflexionselementen 62 und insbesondere Dachkantprismen 64 mit Sub-Apertur 102 erweist sich als vorteilhaft für die Qualität des Interferenzmusters bei der Selbstinterferenz. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, hinreichend kleine Sub-Aperturen 102 zu nutzen. Bei diesen bilden sich die jeweiligen Interferenzmuster besser aus als bei einer großen (Sub-)Apertur, weil bei gegebenem Winkel β die Wegunterschiede an den Rändern der jeweiligen Sub-Apertur 102 umso kleiner sind, je kleiner die Sub-Apertur 102 selbst ist. Je mehr das Spektrum der Strahlung von einer rein monochromatischen Strahlung abweicht, desto mehr sinkt das Signal an den Rändern der Sub-Apertur 102 ab.
• Durch das infolge der Sub-Aperturen 102 verbesserte Interferenzmuster ergibt sich der Vorteil einer hohen Signalstärke über die gesamte Detektionsapertur 104. Die Signalbeiträge der einzelnen Sub-Aperturen 102 können addiert werden und ergeben ein Bild mit gutem Signal-zu-Rauschverhältnis. Durch Nutzung der Amplituden- und Phasen-Informationen der einzelnen Sub-Apertur-Signale kann wie erwähnt ein höher aufgelöstes Bild erzeugt werden.
• Die Vorrichtung 10 erlaubt eine hohe räumliche Auflösung bei zugleich kompakter Bauform. Durch die jeweilige Inversion einer Wellenfront 92, 94 einer Lichtkomponente in Bezug auf die Wellenfront 94, 92 der jeweils anderen Lichtkomponente in der Reflexion ist der Neigungswinkel 2β zwischen den interferierenden Wellenfronten 92, 94 doppelt so groß wie die Winkelabweichung β in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung 44. Die Nutzung von Reflexionselementen 62, 76 hält die Bauform der Vorrichtung 10 kompakt. Beispielsweise können Abmessungen von ungefähr jeweils 10 mm oder weniger, zum Beispiel 5 mm oder weniger, in der X/Y/Z-Richtung erzielt werden. Derartige Abmessungen sind zum Beispiel von Vorteil für endoskopische Anwendungen oder in Geräten mit begrenztem Bauraum wie Smartphones oder Tablet-Computern.
• Vorgesehen sein kann, dass die Weglänge der ersten und der zweiten Lichtkomponente von der Strahlteilerschicht 24 zu den jeweiligen Reflexionselementen 62, 76 und zurück in beiden Lichtpfaden gleich lang ist.
• Andererseits kann vorgesehen sein, dass unterschiedlich lange Weglängen gezielt genutzt werden. In 1 ist dies beispielsweise über die Längen 106 und 108 im ersten bzw. zweiten Lichtpfad für die Positionierung der jeweiligen Reflexionselemente 62 gezeigt.
• Bei Differenz-Messungen, bei der eine Anregungswellenlänge von Anregungslicht der Beleuchtungseinheit 14 bei aufeinanderfolgenden Messungen geringfügig verändert wird, kann über die Weglängendifferenz zwischen den Längen 106 und 108 beispielsweise eine Phasendifferenz der Interferenzmuster von ungefähr 180° (Pi) erzeugt werden. Die Auswerteeinheit 30, die mit der Beleuchtungseinheit 14 synchronisiert ist, kann die bei der jeweiligen Messung ermittelten Bilder voneinander abziehen. Bei der Subtraktion können Beiträge von inkohärenter und/oder breitbandiger Strahlung, die durch die Verschiebung der Anregungswellenlänge im Wesentlichen unverändert bleiben, auf diese Weise weitgehend reduziert oder idealerweise eliminiert werden.
• Bei der Vorrichtung 10 gemäß 1 kommen in beiden Lichtpfaden Reflexionselemente 62, 76 in Gestalt von Retroreflektorelementen zum Einsatz.
• Bei der in 4 dargestellten und mit dem Bezugszeichen 110 gekennzeichneten Ausführungsform der Erfindung sind Retroreflektorelemente nur in dem ersten Lichtpfad für die erste Lichtkomponente angeordnet. Im zweiten Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente ist demgegenüber ein Reflexionselement 76 in Gestalt eines Spiegels 112 angeordnet.
• Die Reflexionselemente 62 im ersten Lichtpfad umfassen vorliegend Linsen 114 und diesen zugeordnete Hohlspiegel 116. Die Linsen 114 sind beispielsweise Mikrolinsen, die sphärisch ausgestaltet sein können. Die Hohlspiegel 116 sind beispielsweise sphärische Hohlspiegel.
• Es versteht sich, dass eine matrixartige Anordnung von Linsen 114 und Hohlspiegeln 116 in der X-Y-Ebene vorgesehen sein kann, die sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt.
• Die Verwendung von Sub-Aperturen 102, die jeweils durch die Linsen 114 und Hohlspiegel 116 definiert werden, ermöglichen einen kompakten Aufbau der Vorrichtung 110. Ein Einsatz nur einer Apertur ist denkbar, erfordert jedoch abweichend von der in 4 gezeigten Darstellung einer verhältnismäßig große Linse 114 über die Gesamtapertur 40 bzw. 104. In entsprechender Weise wäre der Hohlspiegel 116 entsprechend groß auszubilden und in geeignetem Abstand zur Linse 114 zu positionieren.
• Sub-Aperturen 102 sind bei der Vorrichtung 110 durch den Einsatz der Linsen 114 in der X-Richtung und in der Y-Richtung gebildet.
• Bei der Vorrichtung 110 erfährt die erste Lichtkomponente über die Linse 114 eine Wellenfrontinversion in zwei Raumrichtungen. Demgegenüber erfolgt für die zweite Lichtkomponente aufgrund der Verwendung des Spiegels 112 keine Wellenfrontinversion.
• Bei der Vorrichtung 110 kann ebenfalls die am Beispiel der Vorrichtung 10 erläuterte Farbbildgebung vorgesehen sein, wobei von der Auswerteeinheit 30 ortsaufgelöste Bilder mit unterschiedlichen Farben erstellt werden und beispielsweise übereinandergelegt werden können.
• Der Spiegel 112 kann wie in 4 dargestellt ein Planspiegel sein. Alternativ kann ein vorzugweise sphärischer Hohlspiegel 118 vorgesehen sein, der mit gestrichelter Linie dargestellt ist. Dies erweist sich zum Beispiel als vorteilhaft, damit Objektlicht, das unter großen Winkeln β einfällt, nicht nach außen weg reflektiert wird.
• 5 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 120 belegte erfindungsgemäße Vorrichtung in bevorzugter Ausführungsform. Von der Vorrichtung 110 unterscheidet sich die Vorrichtung 120 dadurch, dass Filterelemente 122 unterschiedlicher spektraler Signatur eingesetzt werden. Beispielsweise werden Filterelemente 122 mit drei unterschiedlichen spektralen Signaturen eingesetzt. Hierbei kann es sich insbesondere um Bandpässe handeln, die drei voneinander getrennte Wellenlängenbereiche passieren lassen. Denkbar ist hier zum Beispiel eine RGB-Signatur (Rot/Grün/Blau), wie dies am Beispiel der Vorrichtung 10 erläutert wurde.
• Die Vorrichtung 110 kommt beispielsweise bei der Untersuchung eines selbstleuchtenden Untersuchungsgegenstandes 12 zum Einsatz. Hierbei kann zum Beispiel die Beleuchtungseinheit 14 entfallen oder ungenutzt bleiben.
• Die Filterelemente 122 können im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und/oder im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente angeordnet sein. Im vorliegenden Fall sind die Filterelemente 122 den Linsen 114 vorgelagert positioniert.
• Beispielsweise weisen die Sub-Aperturen 102 Filterelemente 122 mit voneinander unterschiedlichen Signaturen auf.
• Bei der Vorrichtung 110 interferieren an der Detektionseinheit 28 räumlich selektiv nur diejenigen Anteile der ersten Lichtkomponente, die aufgrund der spektralen Selektion durch das jeweilige Filterelement 122 in der Lage sind, mit Licht der zweiten Lichtkomponente interferieren zu können. Andere Beiträge können von der Auswerteeinheit 30 bei der Auswertung außer Acht gelassen werden.
• Es versteht sich, dass derartige Filterelemente 122 auch bei den Ausführungsformen 10 und 110 vorgesehen sein können. In entsprechender Weise kann auch bei der Vorrichtung 120 vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinheit 14 Licht unterschiedlicher Wellenlängen emittieren kann.
• Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in der Zeichnung nicht im Einzelnen dargestellt ist, kommen Reflexionselemente 62 zum Einsatz, die in 6 schematisch dargestellt sind. Diese Reflexionselemente 62 ersetzen beispielsweise die Dachkantprismen 64 in 1 oder die Linsen 114 und Hohlspiegel 116 in den 4 und 5. 7 zeigt ein Reflexionselement 62 im Detail mit verschiedenen Strahlenverläufen einer der Lichtkomponenten, zum Beispiel der ersten Lichtkomponente.
• Die Reflexionselemente 62 gemäß den 6 und 7 sind im vorliegenden Beispiel ebenfalls Umkehrprismen und insbesondere Dachkantprismen 124. Die Dachkantprismen 124 sind vorzugsweise gleichschenklig-rechtwinklig ausgestaltet mit im Winkel von 90° zueinander angeordneten Seiten 126, 128.
• Vorliegend sind die Dachkantprismen 124 jedoch so angeordnet, dass die Seiten 126, 128 der einfallenden ersten oder zweiten Lichtkomponente zugewandt sind. Dementsprechend weisen die Katheten dem Objektlicht und der Strahlteilerschicht 24 zu. Entsprechendes gilt für die „Kante“ des Dachkantprismas 124. Die Hypotenuse ist dem einfallenden Objektlicht und der Strahlteilerschicht 24 abgewandt (7).
• Die Dachkantprismen 124 können insbesondere wie die Dachkantprismen 64 im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente eine Längserstreckung in Y-Richtung aufweisen. Im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente können die Dachkantprismen 124 ebenfalls angeordnet sein und dort die Reflexionselemente 76 bilden. Wie am Beispiel der Vorrichtung 10 erläutert sind diese Dachkantprismen 124 um 90° relativ zu den Dachkantprismen im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente verdreht angeordnet und ausgerichtet.
• Vorgesehen sein kann anderenfalls, dass im jeweils anderen Lichtpfad der ersten oder der zweiten Lichtkomponente Reflexionselemente 76 in Form der Dachkantprismen 64 wie anhand von 1 erläutert oder ein als Spiegel ausgestaltetes Reflexionselement 76 (4 und 5) zum Einsatz kommen.
• An einer jeweiligen Seite 126, 128 ist einfallseitig ein Diffraktionselement 130 angeordnet. Die Diffraktionselemente 130 sind vorzugsweise identisch ausgestaltet und zum Beispiel als VPH 132 ausgebildet.
• Über die Dachkantprismen 124 mit VPH 132 kann insbesondere eine spektroskopische erfindungsgemäße bildgebende Vorrichtung bereitgestellt werden, bei der zusätzlich zur räumlichen Auflösung eine spektrale Auflösung möglich ist.
• Die Dachkantprismen 124 sind dabei so angeordnet, dass in Bezug auf Objektlicht, das in der definierten Einfallsrichtung 44 einfällt, das VPH 132 eine Littrow-Anordnung einnimmt. Beispielsweise zeigt 7 in der Zeichnung links den einfallenden Strahl 134, der in die erste Ordnung gebeugt wird (Strahl 136) und bezüglich der Einfallsrichtung um 90° abgelenkt ist. Entsprechendes erfolgt am in der Zeichnung rechten VPH 132 bei der Beugung in die erste Ordnung (Strahl 138). Das Dachkantprisma 124 wirkt aufgrund der zweimaligen Umlenkung um 90° hierbei als Reflexionselement, speziell als Retroreflektor.
• Die Strahlen 140, 142 und 144 stellen einen korrespondierenden Sachverhalt dar, wobei hier beispielhaft ein auf das in der Zeichnung rechte VPH 132 einfallender Strahl 140 betrachtet wird.
• Hierbei wird jeweils davon ausgegangen, dass das VPH 132 eine vorgegebene Wellenlänge aufweist. Die Wellenfronten 146, 148 liegen in diesem Fall übereinander, da das Objektlicht 46 in der Einfallsrichtung 44 einfällt.
• Fällt Objektlicht 50 mit einer bezüglich der Einfallsrichtung 44 um den Winkel β geneigten Einfallsrichtung 149 ein, wirkt das Dachkantprisma 124 bei der vorgegebenen Wellenlänge ebenfalls als Reflexionselement (Strahlen 150, 152, 154), speziell als Retroreflektor. Der Winkel β zwischen der Wellenfront 156 und den übereinanderliegenden Wellenfronten 146, 148 bleibt nach Reflexion am Dachkantprisma 124 erhalten.
• In den beiden vorstehend genannten Fällen gilt für das Objektlicht 46, 50 der einfallenden Strahlen 134, 140 und 150 jeweils die Bragg-Bedingung für die VPHs 132.
• Es versteht sich, dass die Bragg-Bedingung auch bei umgekehrtem Strahlenverlauf von Objektlicht 50 gemäß den Strahlen 154, 152, 150 erfüllt ist. Die in diesem Fall mit der Wellenfront 156 zusammenfallende Wellenfront 157 ist ebenfalls um den Winkel β gegenüber den Wellenfronten 146, 148 geneigt.
• Es kann vorgesehen sein, dass Objektlicht mit einer von der vorgegebenen Wellenlänge abweichenden Wellenlänge einfällt. Dies ist in 7 schematisch dargestellt, wobei jetzt angenommen wird, dass der mit dem Bezugszeichen 134 gekennzeichnete Strahl die abweichende Wellenlänge aufweist und in der Einfallsrichtung 44 einfällt. Durch die Beugung am in der Zeichnung linken VPH 132 ergibt sich ein Winkel α relativ zum Strahl 136 bei der Beugung in die erste Ordnung (Strahl 158). Bei der Beugung am in der Zeichnung rechten VPH 132 ergibt sich abermals ein Winkelunterschied von α, so dass der ausfallende Strahl 160 in Bezug auf den Strahl 138 eine Winkeldifferenz von 2α aufweist.
• Unter der Annahme, dass der mit dem Bezugszeichen 140 gekennzeichnete Strahl die abweichende Wellenlänge aufweist, ergibt sich bei der ersten Beugung relativ zum Strahl 142 ein Differenzwinkel von α (Strahl 161) und bei der Beugung am weiteren VPH 132 derselbe Differenzwinkel von α. Der ausfallende Strahl 162 weist dadurch gegenüber dem Strahl 144 den Differenzwinkel 2α auf, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen wie im vorangegangenen Beispiel. Zwischen der Wellenfront 164 des Strahls 160 und der Wellenfront 166 des Strahls 162 ergibt sich dadurch ein Kippwinkel von 4α.
• Jede der Wellenfronten 164 und 166 interferiert an der Detektionseinheit 28 mit einer korrespondierenden Wellenfront der anderen Lichtkomponente zu einem Interferenzmuster und ist relativ zu dieser Lichtkomponente um einen Kippwinkel 2α verkippt. Anhand des jeweiligen Interferenzmusters kann die Auswerteeinheit 30 die abweichende Wellenlänge ermitteln und insbesondere ein Spektrum des Objektlichtes erstellen. Durch die jeweils zweifache Beugung des Objektlichtes an beiden VPHs 132 kann eine hohe spektrale Auslösung erzielt werden.
• Hiervon unabhängig kann die Auswerteeinheit 30 wie vorstehend erläutert die räumlichen Komponenten über die Neigung der Wellenfronten zueinander bestimmen.
• Die räumlichen Komponenten des Objektlichts und dessen spektroskopische Komponenten können einander überlagern. Bei dem in 7 links dargestellten Segment ergibt sich ein Gesamtwinkel bei der Verkippung der Wellenfront von 2β + 2α, bei dem in 7 rechts dargestellten Segment ein Gesamtwinkel von 2β - 2α.
• Durch Differenzbildung der fouriertransformierten Streifenmuster kann auf diese Weise die spektroskopische Komponente mit dem Differenzwinkel 4α sehr genau bestimmt werden. Dies lässt sich zum Beispiel dann umsetzen, wenn der Streufleck 38 hinreichend klein ist und/oder Streuflecke 38 einen hinreichenden Abstand voneinander aufweisen und/oder wenn die Beiträge verschiedener Wellenlängen voneinander trennbar sind.
• Räumliche (laterale) und spektrale Informationen können zum Beispiel bei vollflächiger Beleuchtung überlagern. Vorgesehen sein kann in diesem Fall beispielsweise, die Wellenlänge von Beleuchtungslicht oder Anregungslicht der Beleuchtungseinheit 14 gesteuert zu verändern (Wellenlängensweep o.ä.).
• In diesem Fall ergeben sich unterschiedliche Wegstrecken am Dachkantprisma 124 mit den VPHs 132 für die räumlichen Komponenten mit dem Winkel 2β und die spektroskopischen Komponenten mit dem Winkel 2α. Die diesbezüglichen Interferenzmuster werden sich hinsichtlich der Phasen deswegen unterschiedlich verhalten, was von der Auswerteeinheit 30 zur Trennung einander überlappender räumlicher und spektraler Komponenten berücksichtigt werden kann.
• 8 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 170 belegte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Bei der Vorrichtung 170 kommt zur Inversion der Wellenfront in den unterschiedlichen Lichtkomponenten eine Wellenfrontinversionseinheit 172 zum Einsatz. Insbesondere sind mehrere, jeweils eine Sub-Apertur 102 definierende Wellenfrontinversionseinheiten 172 vorgesehen. Die Wellenfrontinversionseinheiten 172 weisen in ihrer Gesamtheit eine der Detektionsapertur 104 entsprechende Apertur auf.
• Die Wellenfrontinversionseinheiten 172 sind der Detektionseinheit 28 in Einfallsrichtung des Objektlichts vorgelagert positioniert und jeweils seitlich nebeneinander angeordnet. Beispielsweise sind die Wellenfrontinversionseinheiten 172 identisch ausgestaltet. Nachfolgend wird lediglich auf die Ausgestaltung einer Wellenfrontinversionseinheit 172 eingegangen, erläutert anhand von 9.
• Die Wellenfrontinversionseinheit 172 umfasst eingangsseitig das Strahlteilerelement 174 und ausgangsseitig das optische Element 176. Die Elemente 174, 176 sind beispielsweise ausgestaltet als VPH oder GPH. Hierbei kann Objektlicht jeweils teilweise transmittiert und teilweise gebeugt werden. Es werden bevorzugt jeweils ungefähr 50% des Objektlichts von den Elementen 174, 176 transmittiert und die restlichen 50% gebeugt.
• 9 zeigt den Fall, in dem Objektlicht 50 um den Winkel β relativ zur Einfallsrichtung 44 geneigt ist. Ferner sind als Bestandteil dieses Objektlichts 50 zwei übereinanderliegende Wellenfronten 178, 180 gezeigt. Diese sind jeweils um den Winkel β relativ zu einer Wellenfront geneigt, die das in der Einfallsrichtung 44 einfallende Objektlicht 46 (nicht dargestellt) aufweist.
• Von den Wellenfronten 178, 180 wird am Strahlteilerelement 174 jeweils die eine Hälfte ungebeugt transmittiert und die andere Hälfte gebeugt. Die diesbezüglichen Strahlen sind mit den Bezugszeichen 182 bzw. 184 und 185 dargestellt.
• Das optische Element 176 und das Strahlteilerelement 174 weisen einen gemeinsamen Fokus auf der im Wesentlichen mittig in der Erstreckung 187 der Wellenfrontinversionseinheit 172 liegt.
• Das optische Element 176 transmittiert die Strahlen 182 ungebeugt. Die Strahlen 184, 185 werden demgegenüber am optischen Element 176 ebenfalls gebeugt.
• Ausgangsseitig der Wellenfrontinversionseinheit 172 ergibt sich eine Wellenfront 178 aufgrund der ungebeugten Strahlen 182 und eine Wellenfront 180 aufgrund der gebeugten Strahlen 184, 185. Durch die zweifache Beugung an den Elementen 172, 176 beträgt der Neigungswinkel zwischen den Wellenfronten 178, 180 2β.
• Die Wellenfronten 178, 180 können zur Bildung des bereits erwähnten Interferenzmusters interferieren. Auf obige Ausführungen in Bezug auf die Auswertung kann verwiesen werden. Bei der Vorrichtung 170 kann zum Beispiel Beleuchtungslicht zeitlich aufeinanderfolgend mit unterschiedlichen Wellenlängen eingestrahlt werden, wobei die Auswerteeinheit 30 mit der Beleuchtungseinheit 14 synchronisiert ist, um abhängig von Beleuchtungslicht unterschiedlicher Wellenlängen jeweils ein Bild des Untersuchungsgegenstandes zu erstellen. Die Bilder können von der Auswerteeinheit 30 übereinandergelegt werden.
• 10 zeigt in schematischer Darstellung eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 190 belegte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung 190 ist im vorliegenden Fall ähnlich zur Vorrichtung 110 gemäß 4 ausgestaltet, unterscheidet sich von dieser Vorrichtung 110 jedoch durch die Beschaffenheit und Wirkungsweise des Strahlteilerelements 54. Im Übrigen wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
• Es kann bei der Vorrichtung 190 über die Beleuchtungseinheit 14 vorzugsweise Beleuchtungslicht in voneinander unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen eingestrahlt werden.
• Bei der Vorrichtung 190 kommt als Strahlteilerelement 54, das zugleich das optische Element 56 ist, ein Diffraktionselement 192 zum Einsatz. Das Diffraktionselement 192 ist ausgestaltet als Spektralgitter, insbesondere als VPH 194. Das Diffraktionselement 192 dient zur spektralen Zerlegung des Objektlichts.
• Mit dem VPH 194 kann das Objektlicht zum einen transmittiert werden und zum anderen gebeugt werden. Auf diese Weise wird das Objektlicht in eine erste Lichtkomponente und eine zweite Lichtkomponente zerlegt.
• Hierbei ist das VPH 194 unter Littrow-Anordnung von 45° in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung 44 positioniert. Jeweils 50% oder im Wesentlichen 50% des einfallenden Objektlichtes werden transmittiert bzw. gebeugt.
• Zunächst wird dies am Objektlicht 46, das in der Einfallsrichtung 44 einfällt, erläutert. Eine erste Lichtkomponente (Strahl 58) wird vom VPH 194 transmittiert, am Reflexionselement 62 reflektiert (Strahl 70) und anschließend am VPH 194 in Richtung der Detektionseinheit 28 gebeugt (Strahl 72).
• Durch Beugung des einfallenden Objektlichtes 46 in die erste Ordnung am VPH 194 (Strahl 160) wird die zweite Lichtkomponente gebildet. Die zweite Lichtkomponente wird am Reflexionselement 76 reflektiert (Strahl 78).
• Wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen liegen die Wellenfronten 74 und 80 der beiden Lichtkomponenten übereinander, da das Objektlicht 46 in der definierten Einfallsrichtung 44 einfällt.
• Bei dem in der gegenüber der Einfallsrichtung 44 um den Winkel β geneigt einfallenden Objektlicht 50 wird die erste Lichtkomponente (Pfeil 82) transmittiert, am Reflexionselement 62 reflektiert (Pfeil 84) und anschließend vom VPH 194 in die erste Ordnung gebeugt (Pfeil 86).
• Die zweite Lichtkomponente wird am VPH 194 zunächst gebeugt (Pfeil 88). Nach dem Reflexionsgesetz erfolgt am Reflexionselement 76 eine Reflexion derart, dass das anschließend vom VPH 194 transmittierte Licht (Strahl 90) relativ zum Licht der ersten Lichtkomponente gemäß dem Strahl 86 den Winkel 2β aufweist.
• Die Wellenfronten 92 und 94 sind wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen daher um den Winkel 2β relativ zueinander geneigt, und die Auswerteeinheit 30 kann die Herkunft des Objektlichtes 50 auf der Grundlage des Interferenzmusters zwischen den Wellenfronten 92, 94 bestimmen, um ein Bild des Untersuchungsgegenstandes 12 zu erstellen.
• Bei den beiden vorangegangenen Beispielen wurde angenommen, dass für das Objektlicht gemäß den Strahlen 46, 50 jeweils die Bragg-Bedingung des VPHs 194 erfüllt ist, d. h. das Objektlicht eine vorgegebene (Bragg-)Wellenlänge aufweist.
• Weicht die Wellenlänge jedoch von der vorgegebenen Wellenlänge ab, ist der Strahlenverlauf der Lichtkomponenten folgendermaßen:
• Es wird angenommen, dass die Wellenlänge des über den Strahl 50 einfallenden Objektlichtes um eine Offset-Wellenlänge von der vorgegebenen Wellenlänge abweicht. In diesem Fall ergibt sich für das zunächst transmittierte Licht der ersten Lichtkomponente kein Unterschied (Strahlen 82, 84) bis zur Beugung am VPH 194. Bei der Beugung weist die erste Lichtkomponente gegenüber der Beugungsrichtung mit der vorgegebenen Wellenlänge gemäß Strahl 86 jedoch einen Winkel α (Strahl 196) auf.
• Bei der zweiten Lichtkomponente tritt der Winkel α zwischen dem Strahl 88 für die Beugung von Objektlicht gemäß der vorgegebenen Wellenlänge und dem gebeugten Licht mit der veränderten Wellenlänge ebenfalls auf (Strahl 198). Bei der nachfolgenden Reflexion am Reflexionselement 76 wird die zweite Lichtkomponente gemäß dem Strahl 102 in Richtung der Detektionseinheit 28 reflektiert und vom VPH 194 transmittiert.
• Zwischen den Strahlen 196 und 200 beträgt der Winkel somit 2β + 2α. Die diesbezüglichen Wellenfronten 202, 204 weisen relativ zueinander vor der Detektionseinheit 28 ebenfalls einen Neigungswinkel von 2β + 2α auf.
• Kommt als Reflexionselement der Planspiegel 112 zum Einsatz, weisen die Phasenfronten der zweiten Lichtkomponente innerhalb der Sub-Aperturen keine Unterschiede bis auf mögliche Offset-Phasen auf. Mögliche Aberrationen sind hierbei nicht berücksichtigt. Wellenlängenabhängige Aberrationen können bei Bedarf von der Auswerteeinheit 30 für die Auswertung genutzt werden.
• Vorteilhaft ist es, wenn als Reflexionselement 76 der Hohlspiegel 118 zum Einsatz kommt. Innerhalb der jeweiligen Sub-Apertur 102 ergeben sich zwischen der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente unterschiedliche Phasenfronten und Offset-Phasen aufgrund der jeweiligen Wegunterschiede infolge unterschiedlicher Reflexionswinkel am Hohlspiegel.
• Die Auswerteeinheit 30 kann rechnerisch über diese Abhängigkeit von den Sub-Aperturen 102 die räumlichen Beiträge des Objektlichtes von den spektralen Beiträgen des Objektlichtes trennen und auf diese Weise sowohl ein Bild des Untersuchungsgegenstandes 12 als auch das Spektrum des Objektlichts bestimmen. Die ortsaufgelösten Bilder enthalten vorzugsweise die Farbinformation, ermittelt anhand der unterschiedlichen Wellenlängen, so dass ortsaufgelöste Farbbilder des Untersuchungsgegenstandes 12 erstellt werden können.
• Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

12

Untersuchungsgegenstand

14

Beleuchtungseinheit

16

Fokussierlinse

18

Sammellinse

20

Blockierelement

22

Strahlteilerwürfel

24

Strahlteilerschicht

28

Detektionseinheit

30

Auswerteeinheit

32

Gehäuse

34

Lichtquelle

36

Beleuchtungslicht

38

Streufleck

40

Eingangsapertur

42

VPH

44

definierte Einfallsrichtung

46

Objektlicht

48

Wellenfront

50

Objektlicht

52

Wellenfront

54

Strahlteilerelement

56

optisches Element

58, 60

Strahl

62

Reflexionselement

64

Dachkantprisma

66, 68

Seite

70, 72

Strahl

74

Wellenfront

76

Reflexionselement

78

Strahl

80

Wellenfront

82, 84, 86, 88, 90

Strahl

92, 94

Wellenfront

96, 98

Strahl

100

gestrichelte Linie

102

Sub-Apertur

104

Detektionsapertur

106, 108

Länge

110

Vorrichtung

112

Spiegel

114

Linse

116

Hohlspiegel

118

Hohlspiegel

120

Vorrichtung

122

Filterelement

124

Dachkantprisma

126, 128

Seite

130

Diffraktionselement

132

VPH

134, 136, 138, 140, 142, 144

Strahl

146, 148

Wellenfront

149

Einfallsrichtung

150, 152, 154

Strahl

156

Wellenfront

157

Wellenfront

158, 160, 161, 162

Strahl

164, 166

Wellenfront

170

Vorrichtung

172

Wellenfrontinversionseinheit

174

Strahlteilerelement

176

optisches Element

178, 180

Wellenfront

182, 184, 185

Strahl

187

Erstreckung

190

Vorrichtung

192

Diffraktionselement

194

VPH

196

Strahl

198

Strahl

200

Strahl

202

Wellenfront

204

Wellenfront

Claims (20)

1. Optische bildgebende Vorrichtung, umfassend mindestens ein Strahlteilerelement (54; 174), auf das über eine Eingangsapertur (40) der Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) von einem Untersuchungsgegenstand (12) ausgehendes Objektlicht (46, 50) einfällt und an dem das Objektlicht (46, 50) in eine erste Lichtkomponente und in eine zweite Lichtkomponente aufgeteilt wird, die eine jeweilige Wellenfront (74, 80, 92, 94) aufweisen, eine Detektionseinheit (28), die in Ausbreitungsrichtung des Objektlichts (46, 50) hinter dem mindestens einen Strahlteilerelement (54) angeordnet ist, und eine mit der Detektionseinheit (28) gekoppelte Auswerteeinheit (30), wobei die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) wellenfrontinvertierend ausgestaltet ist zum Invertieren der Wellenfront (74, 80, 92, 94) der ersten Lichtkomponente und/oder der Wellenfront der zweiten Lichtkomponente, wobei die erste Lichtkomponente und die zweite Lichtkomponente über mindestens ein optisches Element (56; 176) auf die Detektionseinheit (28) fallen, wobei die Wellenfronten (74, 80, 92, 94) der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente an der Detektionseinheit (28) abhängig von einem Neigungswinkel (2β) zwischen den Wellenfronten (92, 94) zu einem jeweiligen Interferenzmuster interferieren, welcher Neigungswinkel (2β) kennzeichnend für einen Winkel (β) ist, den das Objektlicht (46, 50) einfallseitig in Bezug auf eine definierte Einfallsrichtung (44) auf das mindestens eine Strahlteilerelement (54) aufweist, und wobei die Auswerteeinheit (30) auf dem Interferenzmuster basierend ein Bild des Untersuchungsgegenstandes (12) erstellt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel (2β) zwischen den Wellenfronten (74, 80, 92, 94) der ersten Lichtkomponente und der zweiten Lichtkomponente doppelt so groß ist wie der Winkel (β), die Einfallsrichtung des Objektlichts (46, 50) in Bezug auf die definierte Einfallsrichtung (44) einnimmt.
3. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) Sub-Aperturen (102) umfasst oder bildet, wobei eine jeweilige Inversion der Wellenfront (74, 80, 92, 94) der ersten Lichtkomponente und/oder der Wellenfront (74, 80, 92, 94) der zweiten Lichtkomponente innerhalb einer Sub-Apertur (102) erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlteilerelement (54) das mindestens eine optische Element (56) ausbildet, insbesondere dass ein Strahlteilerwürfel (22) vorgesehen ist, dessen Strahlteilerschicht (24) das mindestens eine Strahlteilerelement (54) und das mindestens eine optische Element (56) umfasst oder bildet, oder eine das mindestens eine Strahlteilerelement (54) und das mindestens eine optische Element (56) bildende Strahlteilerplatte.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strahlteilerelement (54) ein Diffraktionselement (192) ist oder umfasst, dass die erste Lichtkomponente vom Diffraktionselement (192) transmittiert wird, nach Reflexion an einem Reflexionselement (62) reflektiert wird und am Diffraktionselement (192) wellenlängenabhängig in Richtung der Detektionseinheit (28) gebeugt wird, und dass die zweite Lichtkomponente am Diffraktionselement (192) wellenlängenabhängig in Richtung eines Reflexionselementes (76) gebeugt wird, an diesem in Richtung der Detektionseinheit (28) reflektiert wird und vom Diffraktionselement (192) transmittiert wird.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) eine spektroskopische bildgebende Vorrichtung ist und mindestens ein das Objektlicht spektral zerlegendes Element umfasst, insbesondere das Diffraktionselement (192), wobei ein jeweiliges Interferenzmuster bei gegebenem Neigungswinkel (2β) der Wellenfronten (92, 94) abhängig von einer Wellenlänge des Objektlichts ist, vorzugsweise dass die Auswerteeinheit (30) basierend auf dem jeweiligen Interferenzmuster ein spektral abhängiges Bild erstellt.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) der ersten Lichtkomponente zugeordnet mindestens ein erstes Reflexionselement (62) umfasst, an dem die erste Lichtkomponente in Richtung des mindestens einen optischen Elementes (56) reflektiert wird, und/oder mindestens ein zweites Reflexionselement (76), an dem die zweite Lichtkomponente in Richtung des mindestens einen optischen Elementes (56) reflektiert wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Reflexionselementen (62, 76) vorgesehen ist, die seitlich nebeneinander angeordnet sind und die jeweils eine Sub-Apertur (102) für die erste Lichtkomponente oder die zweite Lichtkomponente ausbilden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Folgenden gilt: - das mindestens eine erste Reflexionselement (62) und/oder das mindestens eine zweite Reflexionselement (76) umfasst oder bildet ein Retroreflektorelement; - mindestens ein Reflexionselement (62, 76) ist ein Planspiegel oder ein Hohlspiegel.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste und/oder zweite Reflexionselement (62, 76), insbesondere das Retroreflektorelement, eine vorzugsweise sphärische Linse (114) und einen Spiegel umfasst, beispielsweise einen Hohlspiegel (116).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Array von Mikrolinsen mit einer vorgegebenen Mittendicke vorgesehen ist, deren jeweils bezogen auf die Einfallsrichtung hintere Linsenoberfläche zum Bilden des Spiegels verspiegelt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Reflexionselement (62) und/oder das mindestens eine zweite Reflexionselement (76) zwei in einem Winkel zueinander ausgerichtete Seiten (66, 68) umfasst, insbesondere zur jeweiligen Reflexion des Objektlichts (46, 50), wobei das mindestens eine Reflexionselement (62, 76) ein Umkehrprisma ist oder umfasst, insbesondere ein Dachkantprisma (64).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtpfad der ersten Lichtkomponente und im Lichtpfad der zweiten Lichtkomponente jeweils mindestens ein Reflexionselement (62, 76) vorgesehen ist, wobei die Reflexionselemente (62, 76) entlang jeweiliger Raumrichtungen erstreckt sind, die in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, insbesondere 90° oder im Wesentlichen 90°, vorzugsweise dass als Reflexionselement (62, 76) jeweils ein Umkehrprisma vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Reflexionselement (62, 76) so angeordnet ist, dass die Seiten (126, 128) in Einfallsrichtung des Objektlichts (46, 50) jeweils ein Diffraktionselement (130) aufweisen, wobei einfallendes Objektlicht (46, 50) am jeweiligen Diffraktionselement (130) wellenlängenabhängig gebeugt wird, wobei insbesondere Objektlicht (46, 50) einer vorgegebenen Wellenlänge parallel zurückgestrahlt wird.
15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) mindestens eine Wellenfrontinversionseinheit (172) umfasst, die der Detektionseinheit (28) vorgelagert ist und die eingangsseitig das mindestens eine Strahlteilerelement (174) und ausgangsseitig das mindestens eine optische Element (176) umfasst, die diffraktiv ausgestaltet sind und bezogen auf die Einfallsrichtung (44) des Objektlichtes (46, 50) einen gemeinsamen Fokus aufweisen, wobei am mindestens einen Strahlteilerelement (174) und am mindestens einen optischen Element (176) die erste Lichtkomponente des Objektlichtes (46, 50) unabgelenkt transmittiert wird und die zweite Lichtkomponente des Objektlichtes (46, 50) gebeugt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Wellenfrontinversionseinheiten (172) vorgesehen ist, die eine jeweilige Sub-Apertur (102) ausbilden und jeweils einem Abschnitt der Detektionseinheit vorgelagert positioniert sind.
17. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) eine Beleuchtungseinheit (14) umfasst, die mindestens eine Lichtquelle (34) zum Beleuchten des Untersuchungsgegenstandes (12) umfasst.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Folgenden gilt: - mittels der Beleuchtungseinheit (14) ist zeitlich aufeinanderfolgend Beleuchtungslicht (36) unterschiedlicher Wellenlängen emittierbar, und dass die Auswerteeinheit (30) mit der Beleuchtungseinheit (14) synchronisiert ist, um abhängig von der Emission von Licht unterschiedlicher Wellenlängen jeweils ein Bild des Untersuchungsgegenstandes (12) zu erstellen; - mittels der Beleuchtungseinheit (14) ist gleichzeitig Beleuchtungslicht in voneinander unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittierbar, die einander nicht oder nur unwesentlich überlappen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) voneinander unterschiedliche Filterelemente (122) mit einer jeweiligen spektralen Signatur umfasst, die in Lichtpfaden der ersten Lichtkomponente und/oder der zweiten Lichtkomponente angeordnet sind, wobei die Auswerteeinheit (30) ausgebildet ist, Bilder des Untersuchungsgegenstandes (12) abhängig von der spektralen Signatur der Filterelemente zu erstellen.
20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10; 110; 120; 170; 190) dem mindestens einen Strahlteilerelement (54) in Bezug auf die Einfallsrichtung (44) vorgelagert zumindest eines der Folgenden umfasst: - eine konvexe Linse (18) oder einen Hohlspiegel zum Sammeln von Objektlicht (46, 50) ausgehend vom Untersuchungsgegenstand (12); - mindestens ein Blockierelement (20) zum Filtern oder Reflektieren von Objektlicht (46, 50) außerhalb eines vorgegebenen Spektralbereiches.

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