Beleuchtungsbereiche

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich versetzter, räumlich modulierter Beleuchtungsbereiche mit zueinander phasenverschobenen, periodischen Modulationsmustern, umfassend

zwei zeitlich versetzt zueinander auslösbare Pulslaserquellen zur Erzeugung zweier zeitlich versetzt gepulster Laserstrahlen,

Intensitätsmodulationsmittel zur räumlich periodischen Intensitätsmodulation der Laserstrahlen senkrecht ihrer Ausbreitungsrichtung,

Strahlüberlagerungsmittel zur Zusammenführung der Strahlengänge der

Laserstrahlen in einem gemeinsamen Strahlengangabschnitt und

Strahlformungsmittel zur Beleuchtungsbereichsformung.

Stand der Technik

Eine derartige Vorrichtung wird beschrieben in Kristensson, E. et al.: "Two-pulse structured Illumination imaging", OPTICS LETTERS, Vol. 39, No. 9 (2014).

Die genannte Druckschrift offenbart ein als SLIPl (Structured Laser Illumination Planar Imaging) bezeichnetes Verfahren und eine zu dessen Durchführung geeignete

Vorrichtung. SLIPl ist eine Bildgebungstechnik, die vielfach zur bildgebungsbasierten Analyse von Strömungs-, insbesondere Spray-Vorgängen genutzt wird. Insbesondere zielt die Technologie darauf ab, Intensitätsbeiträge zu unterdrücken, die von in einer Spray- Wolke mehrfach gestreutem Licht herrühren. Die Verwendung sogenannter Lichtschnitte bei der optischen Vermessung von

Strömungen ist allgemein bekannt. Unter einem Lichtschnitt sei hier ein im Wesentlichen scheibenförmiger Beleuchtungsbereich verstanden, welches ein Messvolumen durchsetzt. Seine Erstreckung in Dickenrichtung ist dabei wesentlich kleiner als seine Erstreckung in den beiden senkrecht dazu ausgerichteten Raumdimensionen. Erzeugt werden solche Lichtschnitte in der Regel durch Kompression eines aufgeweiteten Laserstrahls in

Dickenrichtung mittels einer Zylinderoptik. Die Höhe des Lichtschnitts wird von der Höhe des zugrunde liegenden Laserstrahls bestimmt. Die Breitenrichtung des Lichtschnitts entspricht der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls.

Beim SLIPI-Verfahren werden mehrere zeitlich sehr schnell aufeinander folgende Bilder eines mittels solcher Lichtschnitte beleuchteten Messvolumens aufgenommen und zur weiteren Verarbeitung miteinander verrechnet. Die rechnerische Behandlung der aufgenommenen Bilder ist für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Wichtig beim SLIPI-Verfahren ist, dass sich die den einzelnen Bildern zugeordneten Lichtschnitte, obgleich sie im Wesentlichen das gleiche Gebiet ausleuchten, auf spezielle Weise voneinander unterscheiden. So werden insbesondere räumlich unterschiedlich modulierte Lichtschnitte verwendet. Unter einem räumlich modulierten Lichtschnitt sei hier ein Lichtschnitt verstanden, dessen Intensität in Höhenrichtung des Lichtschnitts variiert. Bei einer Modulation mit einem periodischen Modulationsmuster erhält der Lichtschnitt eine über seine Höhe periodisch variierende Intensitätsverteilung. Vereinfacht kann von einem „Streifenmuster" gesprochen werden. Bei SLIPI finden insbesondere sinusoidale

Modulationsmuster Einsatz.

Grundlage des SLIPI-Verfahrens ist es, aufeinander folgende Bilder aufzunehmen, bei denen das Messvolumen mittels Lichtschnitten beleuchtet wurde, deren

Modulationsmuster eine definierte Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Bei dem in der vorgenannten Druckschrift offenbarten Zwei-Puls-SLIPI-Verfahren wird insbesondere die Aufnahme genau zweier Bilder angestrebt, bei denen sich die Modulationsmuster der zugeordneten Lichtschnitte um eine Phasenverschiebung von 180° unterscheiden. Bei dem zuvor bereits vereinfachend genannten„Streifenmuster" bedeutet dies im

Wesentlichen, dass bei der Aufnahme des zweiten Bildes die im ersten Bild als dunkle Streifen erscheinenden Bereiche nun als helle Streife ausgeleuchtet sind und umgekehrt. Allgemein gesprochen fallen im zweiten Bild die Intensitätsmaxima des zugeordneten Lichtschnitts in diejenigen Bereiche, in denen die Intensitätsminima des dem ersten Bild zugeordneten Lichtschnitts angeordnet waren.

Die praktische Erzeugung derartiger, zeitlich versetzter, räumlich modulierter Lichtschnitte mit zueinander phasenverschobenen, periodischen Modulationsmustern hat sich als schwierig erwiesen. Wegen der typischerweise gewünschten, sehr kurzen zeitlichen Versetzung ist es meist erforderlich, unterschiedliche, gepulste Laserquellen zu verwenden, die mit dem gewünschten zeitlichen Versatz zueinander auslösbar sind. Allerdings müssen die Strahlengänge beider Laserstrahlen wenigstens im Bereich der denselben Beleuchtungsraum einnehmenden Lichtschnitte zusammengeführt sein. In der genannten Druckschrift wird vorgeschlagen, die Strahlaufweitung und

Intensitätsmodulation vor der Zusammenführung der Strahlengänge, d.h. separat für jeden Laserstrahl, zu bewirken. Hierzu ist jeder Strahlengang mit einer eigenen

Aufweitungsoptik und eigenen Intensitätsmodulationsmitteln, beispielsweise einer liniengitterförmigen Blendenmaske, versehen. Im Anschluss werden die räumlich intensitätsmodulierten Laserstrahlen durch Strahlüberlagerungsmittel, beispielsweise einem Brewster-Kombinierer, zum gemeinsamen Strahlengangabschnitt überlagert. Die zur Ausbildung des Lichtschnitts erforderliche Strahlformung erfolgt dann für beide Laserstrahlen gemeinsam im gemeinsamen Strahlengangabschnitt. Dies ist im Hinblick auf die erforderliche Justage höchst aufwendig. Insbesondere müssen die

Intensitätsmodulationsmittel relativ zueinander so justiert werden, dass die

Modulationsmuster der resultierenden Lichtschnitte den gewünschten Phasenversatz zueinander aufweisen.

Aufgabenstellung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung derart weiterzubilden, dass sich der Justageaufwand verringert.

Darlegung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass in dem gemeinsamen Strahlengangabschnitt - die von den Strahlüberlagerungsmitteln zusammengeführten Laserstrahlen

unterschiedlich polarisiert und

- die Intensitätsmodulationsmittel vor einem optisch anisotropen Strahlteiler angeordnet sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche.

Die Erfindung nutzt das Prinzip der Doppelbrechung an einem optisch anisotropen Medium. Bekanntermaßen haben doppelbrechende Medien die Eigenschaft, dass Licht unterschiedlicher Polarität, sofern es nicht parallel zur kristallographischen Hauptachse des Mediums einfällt, im Medium unterschiedliche Brechungsindizes erfährt, d.h. im Medium unterschiedlich stark abgelenkt wird.

Diesen Effekt macht sich die Erfindung zu Nutze, indem sie zunächst unterschiedliche Polaritäten der zu überlagernden Laserstrahlen vorsieht. Trotz ihrer Zusammenführung mittels der Strahlüberlagerungsmittel sind beide Laserstrahlen daher auch im

gemeinsamen Strahlengangabschnitt noch unterscheidbar. Dies gilt auch nach dem Durchlauf von gemeinsamen Intensitätsmodulationsmitteln, wie beispielsweise einer entsprechenden Musterblende im Bereich des gemeinsamen Strahlengangs. Hinter den gemeinsamen Intensitätsmodulationsmitteln sind beide Laserstrahlen identisch moduliert. Beim Durchlaufen des sich anschließenden optisch anisotropen Strahlteilers jedoch nehmen die unterschiedlich polarisierten Laserstrahlen unterschiedliche Wege, was zu einer entsprechenden räumlichen Versetzung der jeweiligen Modulationsmuster führt. Richtung und Betrag der Versetzung sind abhängig von den speziellen

Doppelbrechungseigenschaften und der Dicke des optisch anisotropen Strahlteilers sowie vom Einfallswinkel der Laserstrahlen auf den optisch anisotropen Strahlteiler relativ zu dessen kristalloptischer Hauptachse. Durch entsprechende Justage des optisch anisotropen Strahlteilers kann somit die exakte Phasenversetzung der Modulationsmuster in den Lichtschnitten eingestellt werden. Der Fachmann wird erkennen, dass es zur Erzeugung von, abgesehen von der Phasenversetzung, deckungsgleichen Lichtschnitten günstig ist, dem optisch anisotropen Strahlteiler eine solche Grundjustage zu geben, dass die relative Ablenkung der Laserstrahlen zueinander ausschließlich in Richtung der Höhenausdehnung der Lichtschnitte erfolgt. Bei Relativauslenkung senkrecht dazu würde sich keine Phasenversetzung des Modulationsmusters einstellen; bei Relativablenkung auch senkrecht dazu würde ein räumlicher Versatz der Lichtschnitte zueinander in Dickenrichtung resultieren. In von der Erfindung ebenfalls umfassten Fällen, in denen die Beleuchtungsbereiche echte Beleuchtungsvolumina sind, d.h. Bereiche, deren Dicken- und Höhenausdehnung in etwa gleiche Größenordnungen haben, kann eine zusätzliche Phasenversetzung senkrecht zum Versatz in Höhenausdehnung unschädlich sein.

Die Erfindung hat somit die Wirkung, dass die Intensitätsmodulation beider Strahlen mit gemeinsamen Strahlüberlagerungsmitteln im gemeinsamen Strahlengangabschnitt erfolgen kann und der Phasenversatz des Modulationsmusters allein durch Einstellung eines einzelnen Elementes, nämlich des optisch anisotropen Strahlteilers, erfolgen kann. Dies stellt eine deutliche Reduktion des Justageaufwandes dar.

Die Justage des optisch anisotropen Strahlteilers ist besonders einfach, wenn dieser um eine zur Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen senkrechte Schwenkachse schwenkbar ist.

Die Erzeugung des gewünschten Modulationsmusters kann auf viele Weisen erfolgen, von denen rein beispielhaft hier nur die Verwendung einer liniengitterförmige

Blendenmaske genannt sei.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Pulslaserquellen gleichgerichtet polarisierte

Laserstrahlen liefern und zwischen den Strahlüberlagerungsmitteln und einer der Pulslaserquellen Polarisationsänderungsmittel zur Drehung der Polarisation des zugeordneten Laserstrahls um einen einer vorbestimmten Polarisationsdifferenz, insbesondere 90°, entsprechenden Winkel angeordnet sind. Dies ist der technischen wie wirtschaftlichen Überlegung geschuldet, dass weitgehend identische Lichtschnitte vorzugsweise mit weitgehend identischen Laserstrahlen erzeugt werden, die ihrerseits wiederum am günstigsten durch identisch aufgebaute Laserquellen erzeugt werden. Identisch aufgebaute Laserquellen erzeugen jedoch Laserstrahlen gleicher Polarität. Entsprechend ist es erforderlich, vor der Zusammenführung der Strahlengänge die Polarität eines der Laserstrahlen zu drehen, was bei einer gewünschten Drehung von 90° beispielsweise durch handelsübliche λ/2-Plättchen dem Fachmann leicht möglich ist. Grundsätzlich ist linear wie zirkulär polarisiertes Licht einsetzbar. Der üblichen Ausgestaltung kostengünstiger Laser geschuldet, wird in der Praxis jedoch typischerweise linear polarisiertes Licht verwendet werden.

Günstigerweise sind die Pulslaserquellen und die Strahlüberlagerungsmittel in einem gemeinsamen Lichtquellenmodul zusammengefasst. Derartige Lichtquellenmodule mit zwei zeitversetzt auslösbaren Pulslaserquellen und interner Strahlengangüberlagerung sind - wenngleich für andere Zwecke - als vorkonfigurierte Einheiten am Markt erhältlich. Rein beispielhaft sei die Baureihe„Terra PIV" der Firma Continuum, San Jose,

Kalifornien, USA genannte.

Besonders günstig ist es, wenn zusätzlich die Polarisationsänderungsmittel in dem gemeinsamen Lichtquellenmodul enthalten sind. Dies ist bei den vorgenannten, vorkonfigurierten Geräten der Fall und findet insbesondere seine Begründung darin, dass die Strahlüberlagerungsmittel einen polarisationssensitiven Brewster-Kombinierer umfassen.

Die Erfindung macht daher derartige Lichtquellenmodule einer neuen Verwendung, nämlich als Laserquellen für Zwei-Puls-SLIPI-Verfahren, zugänglich.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.

Kurzbeschreibunq der Zeichnungen

Es zeigen

Figur 1 : Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht,

Figur 2: Die Vorrichtung von Figur 1 in Draufsicht,

Figur 3: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht und Figur 4: Die Vorrichtung von Figur 3 in Draufsicht.

Beschreibung bevorzugter Ausführunqsformen

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.

Die Figuren 1 und 2 zeigen in stark schematisierter Darstellung eine erfindungsgemäße Lichtschnitterzeugungsvorrichtung 10 in zwei unterschiedlichen Ansichten. Während Figur 1 eine Seitenansicht zur Illustration der erfindungsgemäßen

Modulationsmusterversetzung zeigt, stellt Figur 2 eine Draufsicht auf dieselbe

Vorrichtung 10 zur Illustration der Lichtschnittformung dar. Beide Figuren sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden.

Links in den Figuren ist ein Lichtquellenmodul 12 dargestellt, welches zwei zeitlich versetzt zueinander auslösbare Pulslaserquellen 121 , 122 umfasst. Diese sind in einem Gehäuse 123 integriert. Die Pulslaserquellen 121 , 122 sind vorzugsweise identisch ausgebildet und liefern folglich gepulste Laserstrahlen mit identischen optischen

Eigenschaften. Insbesondere weisen die Laserstrahlen bei der gezeigten

Ausführungsform identische Polaritäten auf. Der Strahl der in Figur 1 oberen

Pulslaserquelle 121 wird mittels eines Umlenkspiegels 124 innerhalb des Gehäuses 123 auf eine λ/2-Platte 125 gelenkt, was eine Rotation seiner Polarisation um 90° zur Folge hat. Der entsprechende Laserstrahl ist daher in seinem weiteren Verlauf gestrichelt dargestellt. Mittels eines ebenfalls im Gehäuse 123 enthaltenen Strahlkombinierers 126 werden die Strahlen der beiden Pulslaserquellen 121 , 122 zu einem gemeinsamen Strahlengangbereich zusammengeführt. Der kombinierte Strahl ist in seinem folgenden Verlauf durch die Parallelführung einer gestrichelten und einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet, was jedoch ausdrücklich nicht eine enge Parallelführung beider Strahlen, sondern vielmehr die Führung auf einem im Wesentlichen identischen Strahlengang darstellen soll. Der Fachmann wird erkennen, dass dies der anzustrebende Idealfall ist. In der Praxis werden jedoch auch geringe Abweichungen von der identischen Strahlführung tolerierbar sein.

Der kombinierte Strahl verlässt das Lichtquellenmodul 12 durch ein Austrittsfenster 127 in dessen Gehäuse 123. Mittels einer nachfolgenden Strahlaufweitungsoptik 14 wird der kombinierte Strahl aufgeweitet und einem Intensitätsmodulator 16 zugeführt. Dieser ist bei der gezeigten Ausführungsform als eine liniengitterförmige Blendenmaske ausgebildet.

Im Anschluss wird der intensitätsmodulierte Strahl einem optisch anisotropen

Strahlteiler 18 zugeführt. Der spezielle Aufbau des optisch anisotropen Strahlteilers 18 ist für die vorliegende Erfindung nicht von Belang. Wesentlich ist lediglich seine Funktion, unterschiedlich polarisierte Lichtanteile unterschiedlich abzulenken. Vergleich der Figuren 1 und 2 zeigt die bevorzugte Grundjustage des optisch anisotropen

Strahlteilers 18, gemäß der eine Relativversetzung der unterschiedlich polarisierten Strahlen ausschließlich in Höhenrichtung des zu formenden Lichtschnitts erfolgt. Dies ist senkrecht zur Modulationsrichtung des Intensitätsmodulators und senkrecht zur

Modulationsrichtung des Intensitätsmodulationsmusters im resultierenden Lichtschnitt. Das Maß der Relativversetzung ist vorzugsweise einstellbar. Hierzu ist der optisch anisotrope Strahlteiler 18 bevorzugt schwenkbar angeordnet, wie durch den

Schwenkpfeil 19 dargestellt, vorzugsweise um eine senkrecht zur

Strahlausbreitungsrichtung und senkrecht zur Strahlversatzrichtung ausgerichtete Schwenkachse.

Die Funktion der nachfolgenden Elemente lässt sich am günstigsten unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutern. In sich an den optisch anisotropen Strahlteiler 18 anschließenden Strahlformungsmitteln 20, die insbesondere eine Zylinderoptik umfassen können, erfolgt eine Kompression der nun relativ zueinander versetzten Laserstrahlen und zwar vorzugsweise exakt senkrecht zu der Relativversetzungsrichtung sowie selbstverständlich senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung. Hierdurch ergeben sich die Lichtschnitte 22 mit ihren zueinander phasenverschobenen, räumlich periodischen Modulationsmustern. Die zeitlich versetzte Auslösung der Pulslaserquellen 121 , 122 führt somit zur Beleuchtung eines Messvolumens 24 in kurzer zeitlicher Abfolge mit deckungsgleichen

Lichtschnitten 22, die jedoch relativ zueinander eine Phasenversetzung ihres räumlichen Modulationsmusters aufweisen.

Mit einer Beobachtungskamera 26 können Bilder des Messvolumens 24 mit besagten unterschiedlichen Beleuchtungen aufgenommen werden. Diese Bilder können im Anschluss einer beliebigen Auswertung zugeführt werden, insbesondere nach dem Zwei- Puls-SLIPI-Verfahren.

Die Figuren 3 und 4 stellen eine Variation des Aufbaus der Figuren 1 und 2 dar und sollen nachfolgend allein anhand der Unterscheide beschrieben werden. Im Übrigen wird auf das zuvor gesagte verwiesen.

Bei der Beleuchtungsvorrichtung 10' der Figuren 3 und 4 wird als Beleuchtungsbereich 22' statt eines Lichtschnitts ein echtes Beleuchtungsvolumen erzeugt, dessen Höhen- und Dickenausdehnung im Wesentlich gleich ist. Erreicht wird dies am einfachsten, wenn die Strahlformungsoptik 20' keine Zylinderoptik umfasst, sodass eine Kompression, wie beim Aufbau der Figuren 1 und 2, unterbleibt. Derartige Anordnungen können insbesondere im Bereich der Mikroskopie eine Rolle spielen. Als günstig wird eine Beobachtung des Messvolumens 24 in Vorwärts- und/oder Rückwärtsstreuung angesehen. Die doppelt eingezeichneten Beobachtungskameras 26 sind daher alternativ oder zusätzlich zueinander zu verstehen.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites

Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Man beachte, dass die Beobachtungsoptik für die Kameras 26 deutlich komplexer sein kann als in den Figuren nur rudimentär angedeutet. Denkbar ist sowohl eine direkte als auch eine indirekte Beobachtung über einen zwischengeschalteten Projektionsschirm. Auch

Strahlumleitungen mittels Strahlteilern sind möglich. Ebenso spielt der

Vergrößerungsbereich der Beobachtung für das Prinzip der Erfindung keine Rolle.

Bezugszeichenliste

10 Lichtschnitterzeugungsvorrichtung

10' Beleuchtungsvorrichtung

12 Lichtquellenmodul

121 Pulslaserquelle

122 Pulslaserquelle

123 Gehäuse

124 Umlenkspiegel

125 λ/2-Platte

126 Strahlkombinierer

127 Ausgangsfenster

14 Aufweitungsoptik

16 Intensitätsmodulator, Blendenmaske

18 optisch anisotroper Strahlteiler

19 Schwenkpfeil

20 Strahlformungsoptik mit Zylinderoptik 20' Strahlformungsoptik ohne Zylinderoptik 22 Beleuchtungsbereich, Lichtschnitt

22' Beleuchtungsbereich, Beleuchtungsvolumen

24 Messvolumen

26 Beobachtungskamera