Um die Polarisation des Lichtes aufzuheben bzw. zu verringern, existieren verschiedene Arten von Depolarisatoren, die aus polarisiertem Licht unpolarisiertes Licht machen. Die Depolarisatoren haben jedoch gerade bei VCSEL-Elementen den Nachteil, dass sie nur äußerst unzureichend funktionieren, weil die Lichtquelle ein zu schmales Spektrum hat, wodurch eine Restpolarisation erhalten bleibt und/oder aufgrund von doppelbrechenden Eigenschaften die erforderliche Ortsauflösung bei der Vermessung des einfallenden Lichts nicht mehr erhalten werden kann.

Alle bekannten Messsysteme bieten keine zufriedenstellende Kompensation der Polarisationseigenschaften oder sind viel zu aufwendig. Dadurch ist eine absolute Leistungsmessung mit einem akzeptablen Fehlerbudget nicht möglich. Mit den bekannten Messsystemen ist bestenfalls die Messung der relativen Leistung der VCSEL-Elemente möglich.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Messsystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass mit diesem eine verbesserte und einfache möglichst polarisationsunabhängige Messung der Absolutleistung oder einer mit der Absolutleistung verknüpften radiometrische Größen wie insbesondere der Strahlungsdichte der Lichtquelle unter Erhaltung der Ortsauflösung im mikroskopischen Bereich ermöglicht wird.

Hierzu schlägt die Erfindung ausgehend von einem Messsystem der eingangs genannten Art vor, dass den Bildsensoren jeweils ein linearer Polarisator zugeordnet ist, wobei die linearen Polarisatoren matrixförmig vor den Bildsensoren angeordnet sind und zwei oder mehr, vorzugsweise vier, Polarisatoren einen Matrixblock bilden, wobei die Durchlassrichtungen nebeneinanderliegender linearer Polarisatoren innerhalb eines Matrixblocks relativ zueinander verdreht sind, vorzugsweise um 45° oder um 90°.

Des Weiteren schlägt die Erfindung ein Verfahren für die polarisationsunabhängige Vermessung einer Lichtquelle unter Verwendung eines solchen Messsystems vor, bei dem

- die Lichtquelle Licht emittiert, das durch die Mikroskopoptik auf die Bildsensoren der Kamera fokussiert wird,

- das Licht die den jeweiligen Bildsensoren zugeordneten Polarisatoren durchläuft, - und das Licht von den Bildsensoren erfasst wird, wobei jeder Bildsensor das auf den Bildsensor auftreffende Licht in ein Messsignal umwandelt,

-wobei anschließend die Messsignale der Bildsensoren, die den Polarisatoren desselben Matrixblocks zugeordnet sind, in Lichtleistungsmesswerte umgewandelt werden, in denen polarisationsabhängige Abweichungen kompensiert sind,

- und aus den Lichtleistungsmesswerten sämtlicher Matrixblöcke ein Bild der Verteilung der Lichtleistung der Lichtquelle erzeugt wird.

Durch den Einsatz einer Matrix aus Polarisatoren vor den einzelnen Bildsensoren ist klar definiert, welche Polarisation das auf den jeweiligen Bildsensor treffende Licht hat. Die Polarisationsempfindlichkeit der Bildsensoren wird somit ausgeglichen und das Fehlerbudget der Messung durch die Mittelung der Messsignale minimiert. Durch die Mittelung über die Messsignale erhält man einen von der Polarisation unabhängigen Wert, der über einen durch eine Kalibrierung erhaltenen Wert mit der Absolutleistung verknüpft ist. Die Ortsauflösung bei der Vermessung der Lichtleistungsverteilung ist durch die Mikroskopoptik in Kombination mit der Größe der Matrixblöcke vorgebbar.

Besonders vorteilhaft ist hierbei eine 2x2-Matrix aus vier Polarisatoren, deren Durchlassrichtungen jeweils um 45° zueinander verdreht sind, also beispielsweise einen Durchlassrichtung von 0°, 45°, 90° bzw. 135 ° aufweisen. Die Durchlassrichtung gibt die zur Strahlverlaufsrichtung senkrechte Richtung des elektrischen Feldes der elektromagnetischen Lichtwelle an, die den jeweiligen Polarisator passieren kann. Eine Verdrehung von 90° der Durchlassrichtungen der nebeneinanderliegenden Polarisatoren reicht, um den Polarisationseffekt zu neutralisieren. Die Verdrehung um 45° ermöglicht es die Polarisation zu messen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor den Polarisationsfiltern Mikro-Linsen matrixförmig angeordnet sind. Durch die Mikro- Linsen wird das einfallende Licht auf die lichtempfindliche Oberfläche jedes Bildsensors optimal verteilt und damit die Empfindlichkeit der Bildsensoren erhöht und Rauschen reduziert.

Zur weiteren Verbesserung der Messung ist es zweckmäßig, wenn ein Strahlteiler eingesetzt wird und mittels des Strahlteilers das Licht der Lichtquelle der Kamera sowie gleichzeitig einer spektralen Messvorrichtung zuführbar ist. Durch den Einsatz einer spektralen Messvorrichtung lässt sich die Messung hinsichtlich der Lichtintensität/-Ieistung und des Spektrums weiter präzisieren. Außerdem kann die spektrale Messvorrichtung zur Kalibrierung der Kamera verwendet werden.

Als spektrale Messvorrichtung kann beispielsweise ein Spektroradiometer eingesetzt werden. Spektroradiometer haben sich durch eine präzise und zuverlässige Messweise bewährt. Das Spektroradiometer kann zur Durchführung einer sog. Spot-Messung ausgelegt sein, d.h. es misst, anders als die Kamera, nicht ortsauflösend. Z.B. können einzelne VCSEL-Elemente der Lichtquelle durch eine quer zum Strahlenverlauf verschiebbare Blende adressiert und mittels des Spektroradiometers präzise vermessen werden.

Alternativ zum Spektroradiometer kann die spektrale Messvorrichtung ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter aufweisen. Eine Bildaufnahme mittels der Kamera erfolgt dabei ohne und eine weitere Bildaufnahme mit eingeschwenktem optischen Kantenfilter. Die Absorptionskante des Kantenfilters liegt dabei im Bereich der (vorab bekannten) mittleren Emissionswellenlänge der Lichtquelle, sodass jeder Wellenlänge ein individueller Absorptionswert des Kantenfilters zugeordnet werden kann. Aus dem Vergleich der Messsignale der beiden Messungen kann dann auf Basis der bekannten Filtercharakteristik die Wellenlänge für jeden einzelnen Bildpunkt sehr einfach bestimmt werden. Dies erfolgt am besten per Software. Bei einer VCSEL-Matrix als Lichtquelle kann z.B. jedes einzelne VCSEL-Element anhand seiner Position im Bild identifiziert werden, um jedem VCSEL-Element eine individuelle Emissionswellenlänge zuordnen zu können. Dieses Messprinzip funktioniert prinzipiell auch unabhängig von den den Bildsensoren zugeordneten Polarisatoren, d.h. mit jedem Messsystem, das eine Vielzahl von matrixförmig angeordneten Bildsensoren aufweisenden Kamera aufweist und bei dem ein in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Kamera einschwenkbares oder einfahrbares optisches Kantenfilter vorgesehen ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Mikroskopoptik mindestens ein optisches Filter aufweist, z.B. ein Neutraldichtefilter, um die Intensität der Lichtemission an die Empfindlichkeit der Kamera anzupassen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Mikroskopoptik eine Tubuslinse aufweist. Dies ermöglicht es, das Mikroskop mit einer sog. „Unendlichoptik“ zu realisieren, so dass Flexibilität bei der Einfügung von Zwischenelementen (Filter, Strahlteiler etc.) in den Strahlengang besteht.

Ein Nachteil des Ansatzes der Erfindung kann sein, dass eine Interpolation zwischen den Bildsensoren erforderlich sein kann, um die volle Auflösung der matrixförmigen Anordnung zu erhalten. Die ist kein prinzipieller Nachteil, eine entsprechende Interpolation ist bei üblichen RGB-Kamerasensoren gängig. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Vergrößerung und die numerische Apertur der Mikroskopoptik so gewählt, dass die optische Auflösung geringer ist als die geometrische „digitale“ Auflösung, die sich aus der Anordnung und Größe der Matrixblöcke ergibt. Dadurch kann die Erfüllung der Nyquist-Kriterien sichergestellt werden, so dass keine Informationen verloren gehen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 a und 1 b: Schematisch eine 3D-Ansicht eines erfindungsgemäßen Messsystems mit Gehäuse (a) und ohne Gehäuse (b);

Figur 2: Schematisch den Detailbereich A aus Figur 1b; Figur 3a und 3b: Schematisch den Aufbau der Polarisatoren zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Messsystem;

Figur 4a und 4b: Gesamtleistungsmessung mit verschiedenen Polarisationen ohne Polarisationskorrektur (4a) und mit Polarisationskorrektur (4b);

Figur 5: Gesamtleistungsmessung mit eine herkömmlichen Kamera und erfindungsgemäß einer Kamera mit Polarisatoren inklusive Polarisationskorrektur.

In den Figuren ist das Gehäuse des erfindungsgemäßen Messsystems mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. An der Frontseite ist ein Mikroskopobjektiv 2 angeordnet. Figur 1b zeigt das Innenleben des Messsystems bei abmontiertem Gehäuse 1. Hinter dem Mikroskopobjektiv 2 sind weitere Elemente einer Mikroskopoptik M angeordnet, auf deren einzelne Bestandteile weiter unten eingegangen wird (vgl. Figur 2). Ferner ist ein Strahlteiler 3 vorgesehen, der einen Teil des Lichts über eine Einkoppeloptik 4 in eine lichtleitende Faser F führt, von der nur ein kurzes Stück dargestellt ist. Diese führt das Licht einem Spektroradiometer (nicht dargestellt) zu, um eine spektrale Vermessung durchzuführen. Weiter ist eine Kamera 5 vorgesehen, die den anderen Teil des Lichts zur ortsaufgelösten Messung der Lichtleistung erfasst. Figur 2 zeigt die Mikroskopoptik M aus Figur 1b im Detail. Hinter dem Mikroskopobjektiv 2 sind optische Filter 6 und eine Tubuslinse 7 angeordnet.

In Figur 3a sind drei Matrixanordnungen (8, 9, 10) dargestellt, die Bestandteile der Kamera 5 sind. Die Matrixanordnung 8 im Vordergrund ist aus Mikro-Linsen 11 aufgebaut. Die hintere Matrixanordnung 10 wird aus einzelnen Bildsensoren 12 gebildet. Die Bildsensoren 12 sind beispielsweise als CMOS-Sensoren oder

CCD-Sensoren realisiert. Zwischen diesen beiden Matrixanordnungen 8, 10 befindet sich eine weitere Matrixanordnung 9. Die Matrixanordnung 8 ist aus Polarisatoren 13 aufgebaut. Die Durchlasswinkel der jeweils nebeneinanderliegenden Polarisatoren 13 sind unterschiedlich. Jeder Polarisator 13 ist einem Bildsensor 12 und einer Mikro-Linse 11 zugeordnet. Die Polarisatoren 13 sind zusätzlich in 2x2-Matrixblöcke 13a unterteilt. Ein solcher Matrixblock 13a ist schematisch in Figur 3b dargestellt. Die Durchlassrichtungen der einzelnen Polarisatoren 13 eines Matrixblocks 13a sind hier jeweils um 45° gegenüber den benachbarten Polarisatoren 13 verdreht und liegen in diesem Ausführungsbeispiel bei 0°, 45°, 90° und 135°.

Bei der Vermessung einer Lichtquelle mit dem erfindungsgemäßen Messsystem wird Licht von der Lichtquelle emittiert. Das Licht wird über das Mikroskopobjektiv 2 in das Messsystem eingebracht und durch die optischen Filter 6 und die Tubuslinse 7 zum Strahlteiler 3 geleitet. Über den Strahlteiler 3 wird das Licht zur Kamera 5 und parallel zum Spektroradiometer geführt. In der Kamera triff das Licht über die Mikro-Linsen 11 und durch die Polarisatoren 13 auf die Bildsensoren 12. Mittels der Bildsensoren 12 wird das Licht erfasst und in elektrische Messsignale umgewandelt. Anschließend werden die Messsignale der Bildsensoren 12, die einem 2x2-Matrixblock 13a zugeordnet sind, in jeweils einen von Polarisationseffekten befreiten Leistungsmesswert umgerechnet. Hierdurch wird der Einfluss der Polarisation des von der Lichtquelle emittierten Lichts minimiert und das Messergebnis ist nahezu polarisationsunabhängig. Die Polarisationsempfindlichkeit der Bildsensoren 13 wird durch die Umrechnung ausgeglichen und das durch die Polarisation verursachte Fehlerbudget minimiert. Somit kann die Lichtleistung ortsaufgelöst präzise bestimmt werden. Für die Bestimmung der Absolutleistung oder einer mit der Absolutleistung verknüpften radiometrische Größen wie insbesondere der Strahlungsdichte ist eine Kalibrierung, z.B. durch Vorabvermessung einer Referenzlichtquelle erforderlich. Der Öffnungswinkel der Lichtemission kann bestimmt werden, indem der Abstand zwischen Lichtquelle und Messsystem variiert und dabei die Veränderung des Abbildungsmaßstabs auf dem Sensorarray 10 beobachtet wird. Dies ist insbesondere bei der Vermessung von VCSEL-Arrays von Interesse. Gleichzeitig ermöglicht das Messsystem die schnelle, einfache und präzise Messung der Absolutleistung einzelner Emitter eines VCSEL-Arrays. Es ist in anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen denkbar, die Polarisatoren 12 beispielsweise in 2x1 -Matrixblöcke zu unterteilen, und die Durchlassrichtungen der Polarisatoren 13 eines Matrixblocks um 90° zu verschieben. Weitere Varianten sind möglich. Für die Umrechnung der Messsignale in Leistungsmesswerte kann erfindungsgemäß ein polarisationsabhängiger Korrekturfaktor verwendet werden. Die in jedem Matrixblock enthaltene 2D-lnformation der Polarisation wird verwendet, um den richtigen Korrekturfaktor für jedes Pixel zu finden. Eine typische Kalibrierung für eine Kamera besteht aus einer Bad-Pixel- Korrektur, einer Dunkelstrom korrektur (,,img_dark(x,y))”), einer

Flachfeldkalibrierung (,,img_ffc(x,y)”) und einer Empfindlichkeitskorrektur „sensitivity(lambda)“): img_cal(x,y) = (img_raw(x,y) - img_dark(x,y)) * img_ffc(x,y) * sensitivity(lambda) - “img_raw“ ist das Bild, wie es von der Kamera gesehen wird, mit den rohen Kamerapixeln.

- „img_dark“ ist das Dunkelrauschen der Kamera, typischerweise gemessen mit der Kamera in einer schwarzen Umgebung ohne Licht.

- rng_ffc“ ist ein positionsabhängiger Korrekturfaktor aufgrund von Unvollkommenheiten der Optik und der Empfindlichkeitsänderungen der

Kamera.

- „sensitivity(lambda)“ ist ein wellenlängenabhängiger Korrekturfaktor aufgrund der Kameratechnologie, deren Quanteneffizienz von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt. Gemäß der Erfindung wird diese übliche Korrektur um einen Korrekturfaktor für die Polarisation erweitert: img_cal(x,y) = (img_raw(x,y) - img_dark(x,y)) * img_ffc(x,y) * sensitivity(lambda)

* polcorrection(x,y) Die Polarisationskorrektur (,,polcorrection(x,y)“) ist abhängig vom Polarisationswinkel an einer Position (x,y) und dessen Grad an dieser Position

(x.y): polcorrection(x,y) = A0(x,y) * cos(2*alpha(x,y) - alpha0(x,y)) + Aoff(x,y) * DoP(x,y)

- ,,alpha(x,y)“ beschreibt den Polarisationswinkel an der Position (x,y), gemessen von der Kamera und ihren polarisationsempfindlichen Pixeln (Matrixblöcken),

- „DoP(x,y)‘‘ beschreibt den Grad der Polarisation an der Position (x,y), gemessen von der Kamera und ihren polarisationsempfindlichen Pixeln, - ,,A0(x,y)“ beschreibt eine positionsempfindliche Matrix der

Nullphasenpolarisation,

- ,,alphaO(x,y)“ beschreibt die Nullphasenpolarisation (abhängig von den Polarisationsfiltern des jeweiligen Matrixblocks an der Position x,y der Sensormatrix); - ,,AOff(x,y)“ beschreibt einen positionsabhängigen Offset der Amplitude.

Die Kalibrierung für eine Kamera mit vier verschiedenen Polarisations ausrichtungen wird in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den folgenden Schritten durchgeführt:

1. Bad-Pixel-Korrektur: Sogenannte kalte und heiße Pixel in der Kamera werden auf die gleiche Weise wie bei herkömmlichen Verfahren ermittelt. Es werden mindestens zwei Bilder im dunklen Modus und im hellen Zustand aufgenommen und die einzelnen Pixelabweichungen aufgefunden.

2. Dunkelstrom korrektur: Es wird ein Bild in dunkler Umgebung aufgenommen (wie bei herkömmlichen Verfahren). Dies liefert den Wert für die Dunkelstrom korrektur ,,img_dark(x,y)“. 3. Flachfeldkalibrierung: Es werden verschiedene Flachfeldkalibrierungs bilder mit polarisiertem Licht mit mindestens vier verschiedenen Polarisationen aufgenommen (z. B. 0°, 45°, 90°, 135°). Für jede Polarisation wird die Flachfeldkalibrierung auf die gleiche Weise wie bei herkömmlichen Verfahren durchgeführt. Die vier Flachfeldkalibrierungsbilder werden verwendet, um jeden Polarisationsfilter der Kamera zu korrigieren. Daraus wird ein vollständiges Bild berechnet. Dieses liefert den Wert für die Flachfeldkalibrierung ,,img_ffc(x,y)“, unabhängig von der Polarisation.

4. Aus den vier verschiedenen Polarisationsbildern kann ein eventueller Offset aufgrund von nicht idealen Polarisatoren berechnet werden

(Fertigungsungenauigkeiten etc.). Dies liefert einen Offset für jede Polarisationsberechnung (alpha0(x,y)) und eine Amplitudenvariation, abhängig von der Position auf der Kamera (A0(x,y)) und möglicherweise abhängig von der Polarisation des Lichts (Aoff(x,y)), die auch vom Grad der Polarisation abhängt. 5. Es wird ein monochromatisches Licht genutzt, um die Empfindlichkeit der

Kamera zu messen. Dies muss über den gesamten Wellenlängen- Kalibrierungsbereich erfolgen und liefert einen skalaren Faktor für jede Wellenlänge. Dieser wird für die absolute Kalibrierung der Kamera benötigt. Dies liefert die den Wert für die Empfindlichkeitskorrektur „sensivity(lambda)“. In den Figuren 4a und 4b ist eine Gesamtleistungsmessung ohne und mit Polarisationskorrektur nebeneinander gegenübergestellt. Die Messung erfolgte mit Rotation der Lichtquelle in 45°-Schritten. Die Messung wurde mit einer polarisierten Lichtquelle und einer typischen CMOS-Kamera mit Mikroskop- Optik durchgeführt. In Figur 4a ist ein Unterschied in der Pixelsumme von mehr als 10 % nur durch Drehen der Polarisation der Lichtquelle um 90° ersichtlich. Dies zeigt deutlich, dass man die Polarisation der Lichtquelle nicht vernachlässigen kann, wenn man die absolute Leistung mit einer Kamera messen will. Auch bei relativen Messungen einzelner Emitter eines VCSEL- Arrays kann man die Polarisationsabhängigkeit nicht vernachlässigen, da die Möglichkeit der Polarisationsänderung für jeden Emitter einzeln erfolgt. Figur 4b zeigt das Ergebnis der Vermessung der gleichen Lichtquelle unter Verwendung einer Kamera mit Polarisationsfiltern und mit der Durchführung einer Polarisationskorrektur, wie zuvor beschrieben. Es ist nahezu keine Polarisationsabhängigkeit mehr zu erkennen. Figur 5 zeigt eine Vermessung einer polarisierten Lichtquelle. Dargestellt ist die Gesamtleistung, gemessen mit einer Standard-CMOS-Kamera (durchgezogene Linie) und gemessen mit der Kamera mit Polarisatoren (gestrichelte Linie) und erfindungsgemäßer Korrektur. Die Polarisatoren wurden mit einer Lambdas- Platte gedreht. Der Messfehler durch die Polarisation wird stark reduziert.

Bezugszeichenliste:

1 Gehäuse

2 Mikroskopobjektiv 3 Strahlteiler

4 Einkoppeloptik

5 Kamera

6 optische Filter

7 Tubuslinse 8-10 Matrixanordnungen

11 Mikro-Linse

12 Bildsensor

13 Polarisator

13a Matrixblock aus Polarisatoren 13 M Mikroskopoptik

F Faser