Titel

Optische Sensoreinrichtung, Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung und Verfahren zum Verwenden einer optischen Sensoreinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensoreinrichtung, ein Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung und ein Verfahren zum Verwenden einer optischen Sensoreinrichtung.

Stand der Technik

In üblichen Anwendungen kann ein negativ geladenes NV-Zentrum (nitrogen vacancy, Stickstoff-Fehlstellen) in einem Diamanten zu einer hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und/oder einer Temperatur genutzt werden. In einer derartigen Messung kommt die Nutzung von Quanteneffekten zum Tragen, wobei derartige Quantentechnologien gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile bieten können. Bei einer Nutzung von NV-Zentren können folgende Vorteile gegeben sein: eine hohe Empfindlichkeit (< 1 pT/VHz), eine anwendbare Vektormagnetometrie (Richtungsbestimmung des Magnetfelds), ein großer dynamischer Messbereich (pT bis größer als 1 Tesla), eine Linearität der Veränderung der reemittierten Strahlung vom anliegenden Magnetfeld (Zeemaneffekt), wenig oder keine Degradation des Wandlermechanismus, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht,

Damit ein derartiger, auf NV-Zentren basierender Sensor ausgelesen werden kann, kann die magnetische Resonanz eines Triplets des Grundzustands optisch detektiert werden (ODM R, optically detected magnetic resonance), wobei ein NV- Zentrum beispielsweise mit grünem Licht angeregt werden kann. Das dann rotverschobene Fluoreszenzlicht zeigt dann eine charakteristische Form bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz. Diese Lage kann wegen des Zeemaneffekts linear abhängig vom magnetischen Feld sein. Mit diesen Konzepten lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.

In der US2013265042 wird eine Vorrichtung zum Messen eines Magnetffeides genannt. Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine optische Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung nach Anspruch 11 und ein Verfahren zum Verwenden einer optischen Sensoreinrichtung nach Anspruch 12.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile der Erfindung

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine optische Sensoreinrichtung, ein Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung und ein Verfahren zum Verwenden einer optischen Sensoreinrichtung anzugeben, wobei ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessert werden kann.

Um einen Quantensensor anregen zu können, kann es nötig sein, diesen mit einer optischen Strahlung anzuregen. Typischerweise werden Quantensensoren auch optisch ausgelesen, wobei entweder direkt die Anregungsstrahlung nach Transmission durch das Sensormedium detektiert wird oder im Falle der NV- Zentren die von den NV-Zentren erzeugte, wellenlängenverschobene (beispielsweise rotverschobene) Fluoreszenz detektiert werden kann. Eine Empfindlichkeit des Sensors skaliert mit dem SNR dieser optischen Detektion.

Damit ein SNR verbessert werden kann, ist es vorteilhaft einen zusätzlichen Polarisator vom Anregungslicht durchlaufen zu lassen, bevor dieses Licht das Sensormedium (z.B. Diamant mit NV-Zentren) anregt.

Erfindungsgemäß umfasst die optische Sensoreinrichtung eine Lichtquelle mit welcher ein Lichtstrahl erzeugbar ist; eine Eingangsoptik, welche durch den Lichtstrahl bestrahlbar ist und durch welche der Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist, wobei die Eingangsoptik einen linearen optischen Polarisator und eine Linse umfasst, wobei die Linse dem linearen Polarisator in einer Lichteinfallsrichtung nachgeordnet oder vorangestellt ist und ein vom linearen Polarisator linear polarisierter Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist; eine Ausgangsoptik und eine Filtereinrichtung, wobei ein von der Probe emittierter Lichtstrahl, vorteilhaft ein Fluoreszenz-Lichtstrahl, auf die Ausgangsoptik lenkbar ist und durch diese auf die Filtereinrichtung lenkbar ist oder umgekehrt und mit der Filtereinrichtung ein gefilterter Lichtstrahl erzeugbar ist, bei welchem eine Anregungsstrahlung der Lichtquelle herausfilterbar ist; eine Detektoreinrichtung, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl detektierbar ist; und eine Auswerteeinrichtung, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl, vorteilhaft das Fluoreszenzlicht, auswertbar ist, wobei die Eingangsoptik weiterhin einen Strahlteiler umfasst, welcher zwischen dem linearen Polarisator und der Probe angeordnet ist, und mit welchem ein Referenzstrahl auf die Detektoreinrichtung lenkbar ist. Durch den Strahlteiler kann das Licht der Lichtquelle auch auf die Probe gelenkt werden.

Betreffend die optische Sensoreinrichtung kann diese auf dem Gebiet der Magnetfeldsensorik und der Quantentechnologie eingesetzt werden. Es kann eine optische Veränderung der Eigenschaften des durch die Sensoreinrichtung, insbesondere durch die Probe, verlaufendes Licht gemessen werden und von der Auswerteeinrichtung ausgewertet werden, beispielsweise ob die Probe sich in einem Magnetfeld befindet und welcher Einfluss des Magnetfeldes auf die Absorption und Abstrahlung von Licht durch die Probe erkennbar ist (beispielsweise durch den Zeeman -Effekt). Dadurch kann die optische Sensoreinrichtung auch einen Magnetfeldsensor darstellen. Es wird vorteilhaft das Fluoreszenzlicht ausgewertet, welches nach der Anregung der Probe wieder von dieser abgestrahlt wird. Das Anregungslicht wird von der Probe absorbiert und als Fluoreszenzlicht emittiert (bei NV-Zentren in Diamant), wobei das anliegende Magnetfeld einen Einfluss auf das Fluoreszenzlicht haben kann. Dabei kann das Fluoreszenzlicht eine andere Wellenlänge aufweisen als das Anregungslicht.

Bei der Lichtquelle kann es sich um eine oder mehrere thermische Lichtquellen und/oder LEDs und/oder Laser handeln.

Durch eine solche Sensorik kann beispielsweise durch Messung des Erdmagentfelds die Himmelsrichtung zur Navigation in Fahrzeugen oder mit dem Smartphone bestimmt werden. So kann durch Rückschluss auf den Einfluss eines Magnetfeldes auf die Probe und eine durch das Magnetfeld messbare Modifizierung des emittierten Lichtstrahls die optische Sensoreinrichtung auch als Magnetfeldsensor dienen. Beispielsweise kann die optische Sensoreinrichtung bei der Ortung von metallischen oder magnetischen Gegenständen genutzt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Eingangsoptik weiterhin einen Strahlteiler, welcher zwischen dem linearen Polarisator und der Probe angeordnet ist, und mit welchem ein Referenzstrahl auf die Detektoreinrichtung lenkbar ist.

Der Referenzstrahl kann mit einem ähnlich oder gleichlangen Strahlengang zwischen dem Strahlteiler und der Detektoreinrichtung verlaufen, wobei der Referenzstrahl nicht auf die Probe gestrahlt wird und diese auch nicht durchläuft. Es kann dann an der Detektoreinrichtung ein Unterschied zwischen dem gefilterten Strahl durch die Probe und dem Referenzstrahl ermittelt werden und der Unterschied ausgewertet werden, wobei Variationen in der Lichtintensität und andere Eigenschaften des Referenzstrahls dann der zumindest einen Lichtquelle zugeordnet werden können. Nach der Filterung ist im gefilterten Strahl kein oder nahezu kein Anregungslicht mehr vorhanden, im Referenzstrahl hingegen schon, da der Referenzstrahl die Filtereinrichtung nicht durchläuft. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Eingangsoptik einen Umlenkspiegel, welcher vom Strahlteiler mit dem Referenzstrahl bestrahlbar ist und mit dem Umlenkspiegel der Referenzstrahl auf die Detektoreinrichtung lenkbar ist.

Mit dem Umlenkspiegel kann der Referenzstrahl vorteilhaft parallel zum Lichtgang des gefilterten Lichtstrahls durch die Probe geführt werden. Statt einem Umlenkspiegel kann auch ein Prisma genutzt werden, das durch Ausnutzung der totalen internen Reflexion eine ähnliche umlenkende Wirkung hat.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Detektoreinrichtung einen ersten Eingangskanal und einen Referenzkanal, wobei der gefilterte Lichtstrahl auf den ersten Eingangskanal lenkbar ist und der Referenzstrahl auf den Referenzkanal lenkbar ist.

Die Detektoreinrichtung kann vorteilhaft zwei Photodioden in einem Gehäuse oder in getrennten Gehäusen umfassen, und deren Signal kann jeweils an die Auswerteeinrichtung abgegeben werden. Bei dem gefilterten Lichtstrahl handelt es sich vorteilhaft um jenen Strahlengang, welcher die Probe durchläuft.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung ist durch die Auswerteeinrichtung durch den Referenzstrahl das Anregungslicht der Lichtquelle an der Detektoreinrichtung empfangbar und von der Auswerteeinrichtung auswertbar und mit dem gefilterten Lichtstrahl am Eingangskanal vergleichbar.

Dazu kann die jeweilige Photodiode an dem Referenzkanal und/oder dem ersten Eingangskanal für ein Empfangen einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs ausgelegt sein.

Durch eine Polarisation kann eine Schwankung der Lichtleistung in dem (ersten) Eingangskanal und dem Referenzkanal erkannt werden und die Schwankungen der Lichtquelle erkannt und vom Eingangskanal abgezogen werden (berücksichtigt werden). Das Anregungslicht kann beispielsweise Wellenlängen im grünen sichtbaren Bereich aufweisen und die Fluoreszenz kann beispielsweise Wellenlängen im roten sichtbaren Bereich aufweisen. Die Filtereinrichtung kann dann das grüne Anregungslicht für den Eingangskanal (was die Probe transmittieren könnte) herausfiltern. Es kann dabei ausgewertet werden, bei welcher Frequenz einer Anregung der Probe durch Mikrowellen eine Resonanz der Abstrahlung von der Probe erfolgt und wie diese vom anliegenden Magnetfeld abhängen kann. Daraus kann (Zemann-Effekt) auf die Stärke des Magnetfelds rückgeschlossen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst der Strahlteiler einen polarisierenden Strahlteiler.

Es kann durch die Anwendung eines polarisierten Strahlteilers und durch ein Erzeugen eines Referenzstrahls eine Verbesserung einer Empfindlichkeit eines NV-basierten Magnetfeldsensors durch Reduktion von Einflüssen von Intensitäts- bzw. Polarisationsschwankungen der anregenden Lichtquelle erzielt werden, insbesondere bei einem Laser.

Quantensensoren, wie NV-basierte Magnetfeldsensoren, werden optisch angeregt und ausgelesen. Hierbei können beim Auslesen Schwankungen des detektierten optischen Signals (Fluoreszenz) auftreten, die auf Polarisationsschwankungen der Lichtquelle zurückgeführt werden können. Diese Schwankungen können die Empfindlichkeit des Sensors beeinträchtigen. Mit dem Referenzkanal können diese Einflüsse der Lichtquelle für die Auswertung des Signals von der Probe berücksichtigt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Probe einen Diamant mit NV-Zentren.

Es kann eine Verbesserung der Empfindlichkeit von optisch angeregten Sensoren (z.B. Magnetometrie mit NV-Zentren in Diamant) durch Stabilisierung der optischen Polarisation erzielt werden.

Ein auf NV- Zentren basierter Magnetfeldsensor, mit anderen Worten eine optische Sensoreinrichtung mit einem Diamanten und NV-Zentren im Diamant, kann in der Lage sein, die benötigte Empfindlichkeit für die Ortung von magnetischen Objekten oder stromführenden Leitern zu liefern. Eine weitere Anwendung ist eine sogenannte Mensch-Maschine-Schnittstelle, wobei auf NV- Zentren basierte Magnetfeldsensoren beispielsweise die Magnetfelder am menschlichen Kopf nachweisen können, die durch die Gehirnaktivität und die damit verbundenen Ströme entstehen können.

Mit einer solchen Sensorik kann beispielsweise ein Aufspüren von Leitungen und magnetischen Gegenständen in der Wand und im Boden erfolgen oder es kann eine Überwachung des Batteriestroms von Elektrofahrzeugen erfolgen. Die diamantbasierte Sensorik kann hierbei beispielsweise eine galvanisch getrennte Sensorlösung bieten, die einen hohen Dynamikbereich und eine hoheSensitivität besitzt. Des Weiteren kann eine Anwendung in einer Lokalisierung in der Robotik liegen und es können mit Hilfe von hochempfindlichen Magnetometern genaue und absolute Positionierungen realisiert werden.

Ein NV- Zentrum im Diamantgitter kann entlang einer von vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamant-Kristall ausgerichtet sein. Es kann ein Grundzustand vorhanden sein mit einem Spin-Triplet mit Gesamtspin S=l. Die Zustände mit magnetische Spinquantenzahl ms = ±1 sind gegenüber dem Zustand mit ms = 0 energetisch verschoben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst diese eine Mikrowellenquelle zur Anregung der Probe. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Filtereinrichtung einen Langpassfilter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung umfasst die Detektoreinrichtung einen gleichtaktunterdrückenden balancierten Photodetektor.

Der gleichtaktunterdrückende balancierte Photodetektor umfasst beispielsweise zwei Photodioden. Eine Photodiode (El) wird durch das zu detektierende Signal beleuchtet (Eingangskanal). Die zweite Photodiode (Referenzkanal) dient zur Erfassung eines Referenzstrahls, der vom Anregungslicht abgeleitet wird. Die Leistungen auf den beiden Photodioden sind so gewählt, dass diese einen vergleichbaren Photostrom in den beiden Photodioden hervorrufen. Typischerweise ist der Photostrom der Referenzphotodiode gleich hoch oder um einen Faktor 2 bis 10 höher als der Photostrom der Signalphotodiode (El). Die Photoströme werden in einer elektronischen Schaltung voneinander subtrahiert und anschließend verstärkt. Dies führt dazu, dass nur die Differenz der Photoströme verstärkt wird. Schwankungen in der Intensität des reemittierten Lichts, die durch Schwankungen im Anregungslicht, auf beiden Photoströmen im gleichen Takt vorliegen, können dadurch unterdrückt werden (common mode rejection).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensoreinrichtung ist mit der Auswerteeinrichtung aus dem gefilterten Lichtstrahl auf ein an der Probe anliegendes Magnetfeld rückschließbar.

Mit einer Anordnung in einer Abfolge eines Polarisators und eines Strahlteilers, der den Anregungslichtstrahl in einen Laser(signalstrahl), insbesondere dem gefilterten Lichtstrahl (= Fluoreszenzlicht) (zur Anregung des Sensormediums, z.B. NV-Zentren in Diamant) und einen Referenzstrahl aufteilen kann, können Polarisationsschwankungen der Lichtquelle/des Lasers in Intensitätsschwankungen umgewandelt werden. Diese Intensitätsschwankungen können von einem balancierten Photodetektor erfasst werden. Mittels der balancierten Detektion ist sichergestellt, dass sowohl Polarisationsschwankungen als auch Intensitätsschwankungen im Rahmen der Gleichtaktunterdrückung (common mode rejection) des Photodetektors korrigiert werden können.

Für eine erfindungsgemäße optische Auslese der Sensoreinrichtung kann üblicherweise ein linearer Zusammenhang zwischen der erreichbaren Empfindlichkeit und einem inversen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der optischen Messung bestehen. Dabei kann eine Empfindlichkeit« 1/SNR (also invers proportional dem Rausch-Signal) sein.

Betreffend ein physikalisches Limit eines Photonenschrotrauschens kann das Rauschen proportional zur Wurzel des Signals P (des Sensors) bzw. der verwendeten Anregungsleistung skalieren. In diesem Zusammenhang ergibt sich eine direkte Proportionalität:

Empfindlichkeit « RauschenSignal=VP/P=l/ P.

Dabei drückt das « eine direkte Proportionalität aus. Des Weiteren ist anzumerken, dass ein Signal der optischen Leistung entspricht, die auf die Photodiode(n) (im Eingangskanal und/oder im Referenzkanal) fällt.

Folglich kann die Empfindlichkeit durch eine Erhöhung der optischen Anregungsleistung verbessert werden.

Es kann des Weiteren möglich sein, dass die eingesetzte(n) Lichtquelle(n), es können auch mehrere sein, die zur Anregung des Sensors verwendet werden, typische technische Rauschquellen darstellen, wobei für solche technischen Rauschquellen gelten kann, dass das Rauschen proportional zur deren Leistung sein kann.

Es kann vorteilhaft mittels einer balancierten Photodetektion das technische Rauschen, zumindest teilweise, kompensiert werden und eine Messung ermöglicht werden, die durch das physikalische Limit des Photonenschrotrauschens limitiert ist.

In einem balancierten Photodetektor können beide Photoströme, insbesondere des ersten Eingangskanals (der Signalphotodiode) vom gefilterten Lichtstrahl und des Referenzkanals (Referenzphotodiode) voneinander abgezogen werden. In weiterer Folge kann diese Differenz als verstärktes Spannungssignal ausgegeben werden, insbesondere an die Auswerteeinrichtung. Damit ist es möglich technisches Rauschen zu erfassen und eine durch Photonenschrotrauschen limitierte Auswertung vorzunehmen.

Eine Voraussetzung kann dazu allerdings sein, dass die Intensitäten des Signalstrahls und des Referenzstrahls den gleichen Schwankungen unterliegen. Bei der Anwendung eines idealen Strahlteilers kann dies gegeben sein. In der Realität ist die Strahlteilung am Strahlteiler jedoch von der Polarisation des einfallenden Stahls abhängig. Für den Fall, dass sich eine Polarisation des einfallenden Strahls ändert (wegen Polarisationsschwankungen der Lichtquelle), kann sich auch das Aufteilungsverhältnis verändern. In entsprechender Weise kann eine Polarisationsschwankung zu einer Intensitätsdifferenz auf den beiden Detektoren des balancierten Photodetektors führen und damit ein Differenzsignal hervorrufen, welches das Rauschen im detektierten Signal deutlich erhöhen kann.

Es kann das Absorptionsverhalten des Sensormediums (beispielsweise NV- Zentren in Diamant) von einer Polarisation des einfallenden Lichts abhängen. Dabei kann eine Schwankung der Polarisation sich in eine Schwankung der optischen Anregung des Sensormediums übersetzen. Um eine derartige durch Polarisationsschwankungen hervorgerufenen Signaldegradation vorzubeugen oder zumindest zu verringern, kann ein zusätzlicher linearer Polarisator vor dem Strahlteiler platziert werden, welcher die Polarisation auf eine gewünschte Richtung projiziert. Dann kann eine Polarisationsschwankung zu einer Intensitätsschwankung bzw. Leistungsschwankung hinter dem linearen Polarisator führen, die Polarisation ist aber nun durch den linearen Polarisator fest vorgegeben. Somit erfolgt die Aufteilung des einfallenden Lichts am Strahlteil in einem festen Verhältnis. Durch die Gleichtaktunterdrückung des balancierten Photodetektors können Intensitätsschwankungen, die in beiden Pfaden des Photodetektors gleichermaßen auftreten können, kompensiert werden.

Wenn sich die Polarisation des am Strahlteiler einfallenden Strahls ändert, etwa wegen Polarisationsschwankungen der Lichtquelle, dann verändert sich auch das Aufteilungsverhältnis (zwischen Referenzstrahl und dem Strahl) auf die Probe und/oder den Detektor. Entsprechend kann eine Polarisationsschwankung zu einer Intensitätsdifferenz auf den beiden Detektoren des balancierten Photodetektors führen und damit ein Differenzsignal hervorrufen, durch welches ein Rauschen im detektierten Signal deutlich erhöht wird. Das polarisationsabhängige Reflexions- bzw. Transmissionsverhalten an dielektrischen Oberflächen kann relevant sein für alle weitere refraktiven Übergänge, welche im Strahlengang hinter dem Strahlteiler folgen können. Dies kann beispielsweise die Linse betreffen, die den Signalstrahl auf den Diamanten fokussiert. Es kann dadurch das Absorptionsverhalten des Sensormediums (beispielsweise NV-Zentren in Diamant) von der Polarisation des einfallenden Lichts abhängen. Hierbei kann eine Schwankung der Polarisation auch zusätzlich in eine Schwankung der optischen Anregung des Sensormediums übersetzt sein. Es können dazu die ungewünschten Polarisationsschwankungen der Lichtquelle/Lasers in Intensitätsschwankungen umgewandelt werden, die mit dem balancierten Photodetektor erfasst werden können. Dazu wird ein polarisierendes Element wie der Linearpolarisator verwendet.

Der polarisierende Strahlteiler transmittiert vorteilhaft p-polarisiertes Licht und reflektiert s-polarisiertes Licht. Es ist jedoch auch möglich, dass bei ausreichend genauer Justage ein nicht-polarisierender Strahlteiler ausreichen kann, da die gewünschte Einstellung der Polarisation bereits durch den linearen Polarisator erreicht werden kann.

Mit dem polarisierenden Stahlteiler kann vorteilhaft erzielt werden, dass die Polarisation der Lichtquelle durch den Linearpolarisator auf einen bestimmten Winkel festgelegt werden kann. Dieser Winkel gibt das Verhältnis zwischen der p-Polarisation und s-Polarisation an.

Des Weiteren kann das Anregungslicht durch die NV-Zentren in Fluoreszenz umgewandelt und von der Signal-Photodiode (am ersten Eingangskanal) erfasst werden. Die Reflexion (am Strahlteiler) wird von der Referenz-Photodiode erfasst.

Es kann für einen Betrieb des balancierten Photodetektors notwendig sein, dass die beiden Photoströme etwa gleich groß sind. Um dies zu erreichen und um entsprechend die optischen Leistungen auf der Photodiode abzustimmen, kann der Linearpolarisator gedreht werden, wobei der Winkel und somit das Verhältnis zwischen s- und p-Polarisation geändert werden kann.

Durch den einen oder mehrere polarisierenden Elemente kann eine Stabilisierung der für die Probe genutzten Polarisation erzielt werden.

Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung ein Bereitstellen einer Lichtquelle mit welcher ein Lichtstrahl erzeugbar ist; ein Bereitstellen einer Eingangsoptik, welche durch den Lichtstrahl bestrahlbar ist und durch welche der Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist, wobei die Eingangsoptik einen linearen optischen Polarisator und eine Linse umfasst, wobei die Linse dem linearen Polarisator in einer Lichteinfallsrichtung nachgeordnet oder vorangestellt ist und ein vom linearen Polarisator linear polarisierte Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist; ein Bereitstellen einer Ausgangsoptik und eine Filtereinrichtung, wobei ein von der Probe emittierter Lichtstrahl, etwa das Fluoreszenzlicht der Probe, auf die Ausgangsoptik lenkbar ist und durch diese auf die Filtereinrichtung lenkbar ist oder umgekehrt und mit der Filtereinrichtung ein gefilterter Lichtstrahl erzeugbar ist, bei welchem eine Anregungsstrahlung von der Lichtquelle herausfilterbar ist; ein Bereitstellen einer Detektoreinrichtung, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl detektierbar ist; und ein Bereitstellen einer Auswerteeinrichtung, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl auswertbar ist, wobei die Eingangsoptik weiterhin einen Strahlteiler umfasst, welcher zwischen dem linearen Polarisator und der Probe angeordnet ist, und mit welchem ein Referenzstrahl auf die Detektoreinrichtung lenkbar ist.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Verwenden einer erfindungsgemäßen optischen Sensoreinrichtung.

Die optische Sensoreinrichtung kann sich auch durch die in Verbindung mit den Verfahren genannten Merkmale und Vorteile auszeichnen und umgekehrt.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der Fig. 1 wird eine generelle Anordnung einer optischen Sensoreinrichtung 10 gezeigt, Die Probe p kann zwischen einer Eingangsoptik 2 und einer Ausgangsoptik 3 angeordnet sein und eine Lichtquelle 1, beispielsweise ein oder mehrere Laser oder eine oder mehrere LEDs, können einen oder mehrere Lichtstrahlen oder ein Lichtstrahlbündel erzeugen und auf die Probe p strahlen und diese durchstrahlen oder diese in einen angeregten Zustand versetzen, wonach sich eine Reemission einstellen kann und die Probe ein Lichtsignal zum Sensieren abstrahlen kann, welches durch die Probe aufgrund äußerer Einflüsse, etwa einem Magnetfeld, gegenüber den Eingangslicht bzw. dem Lichtsignal ohne Magnetfeld, modifiziert sein kann.

Die Ausgangsoptik kann eine Sammellinse LI umfassen, welche einen Filter bestrahlen kann und danach kann eine Sammellinse L2 eine Detektoreinrichtung D bestrahlen, oder auch ein weiteres Filterelement FE bestrahlen. Die Auswerteeinrichtung (AE) kann mehrere Schritte ausführen und dazu mehrere Programm- oder Steuermodule umfassen. Der erste Block AE1 kann eine Signalverarbeitung betreffen. Der zweite Block AE2 kann eine Weiterverarbeitung des prozessierten und ermittelten Signals sein, etwa eine Auswertung des Signals, beispielsweise in Hinblick auf Referenzdaten oder Referenzmessungen des Lichts von der Lichtquelle (wie in Fig. 2 gezeigt), beispielsweise Rückschluss auf eine Temperatur und/oder ein Magnetfeld und/oder einem Druck und/oder weiterer Parameter an der Probe p. Im Falle, dass die Probe einen Diamant mit NV-Zentren umfasst, kann die optische Sensoreinrichtung eine Mikrowellenquelle MV zur Anregung der Probe umfassen und die Filtereinrichtung einen Langpassfilter umfassen, mit welchem das Anregungslicht herausfilterbar ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die optische Sensoreinrichtung 10 der Fig. 2 kann auch mit den Auswertungsblöcken AE1 und AE2 der Fig. 1, sowie mit der Mikrowellenquelle ausgestattet sein, was in der Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit allerdings nicht gezeigt wird. Die optische Sensoreinrichtung 10 umfasst eine Lichtquelle 1 mit welcher ein Lichtstrahl erzeugbar ist; eine Eingangsoptik 2, welche durch den Lichtstrahl bestrahlbar ist und durch welche der Lichtstrahl auf eine Probe p lenkbar ist, wobei die Eingangsoptik 2 einen linearen optischen Polarisator LP und eine Linse umfasst, wobei die Linse dem linearen Polarisator in einer Lichteinfallsrichtung nachgeordnet oder vorangestellt ist und ein vom linearen Polarisator linear polarisierter Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist; eine Ausgangsoptik 3 und eine Filtereinrichtung FE, wobei ein von der Probe p emittierter (Fluoreszenz)Lichtstrahl auf die Ausgangsoptik 3 lenkbar ist und durch diese auf die Filtereinrichtung FE lenkbar ist oder umgekehrt, und mit der Filtereinrichtung FE ein gefilterter Lichtstrahl erzeugbar ist, bei welchem eine Anregungsstrahlung von der Lichtquelle herausfilterbar ist; eine Detektoreinrichtung D, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl detektierbar ist; eine Auswerteeinrichtung AE, mit welcher das vom balancierten Photodetektor detektierte Signal auswertbar ist. Die Eingangsoptik 2 umfasst weiterhin einen Strahlteiler ST, welcher zwischen dem linearen Polarisator LP und der Linse angeordnet ist, und mit welchem ein Referenzstrahl RS auf die Detektoreinrichtung D lenkbar sein kann. Der Strahlteiler ST kann das Anregungslicht auf die Probe p durchlassen. Die Eingangsoptik 2 kann einen Umlenkspiegel US umfassen, welcher vom Strahlteiler ST mit dem Referenzstrahl RS bestrahlbar ist und mit dem Umlenkspiegel US der Referenzstrahl RS auf die Detektoreinrichtung D lenkbar ist. Die Detektoreinrichtung D kann einen ersten Eingangskanal El und einen Referenzkanal RK umfassen, wobei der gefilterte Lichtstrahl auf den ersten Eingangskanal El lenkbar sein kann und der Referenzstrahl RS auf den Referenzkanal RK lenkbar sein kann. Es kann dabei durch die Auswerteeinrichtung AE durch den Referenzstrahl RS das Anregungslicht der Lichtquelle 1 an der Detektoreinrichtung D empfangbar sein und von der Auswerteeinrichtung AE auswertbar sein und mit dem gefilterten Lichtstrahl am Eingangskanal vergleichbar sein. In der Ausführungsform der Fig. 2, oder alternativ auch in anderen Ausführungsformen der Erfindung, kann der Strahlteiler ST einen polarisierenden Strahlteiler umfassen und die Probe kann einen Diamanten mit NV-Zentren umfassen. Damit eine durch eine Polarisationsschwankung hervorgerufene Signaldegradation vorzubeugen oder zu verringern, wird zusätzlich der lineare Polarisator vor dem Strahlteiler platziert, welcher die Polarisation auf eine gewünschte Richtung projiziert, wobei eine Polarisationsschwankung lediglich zu einer Intensitätsschwankung hinter dem linearen Polarisator führen kann, die Polarisation aber durch den nun vorhandenen linearen Polarisator fest vorgegeben sein kann. Daraus resultierend kann die Aufteilung des einfallenden Lichts am Strahlteiler in einem festen Verhältnis erfolgen.

Die Fig. 3 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten des Verfahrens zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei dem Verfahren zum Bereitstellen einer optischen Sensoreinrichtung erfolgt ein Bereitstellen S1 einer Lichtquelle mit welcher ein Lichtstrahl erzeugbar ist; ein Bereitstellen S2 einer Eingangsoptik, welche durch den Lichtstrahl bestrahlbar ist und durch welche der Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist, wobei die Eingangsoptik einen linearen optischen Polarisator und eine Linse umfasst, wobei die Linse dem linearen Polarisator in einer Lichteinfallsrichtung nachgeordnet oder vorangestellt ist und ein vom linearen Polarisator linear polarisierte Lichtstrahl auf die Probe lenkbar ist; ein Bereitstellen S3 einer Ausgangsoptik und eine Filtereinrichtung, wobei ein von der Probe emittierter Lichtstrahl auf die Ausgangsoptik lenkbar ist und durch diese auf die Filtereinrichtung lenkbar ist und mit der Filtereinrichtung ein gefilterter Lichtstrahl erzeugbar ist, bei welchem eine Anregungsstrahlung von der Lichtquelle herausfilterbar ist; ein Bereitstellen S4 einer Detektoreinrichtung, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl detektierbar ist; und ein Bereitstellen S5 einer Auswerteeinrichtung, mit welcher der gefilterte Lichtstrahl auswertbar ist, wobei die Eingangsoptik weiterhin einen Strahlteiler umfasst, welcher zwischen dem linearen Polarisator) und der Probe angeordnet ist, und mit welchem ein Referenzstrahl auf die Detektoreinrichtung lenkbar ist.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.