Design of confocal systems for spectral information coding

Hillenbrand, Matthias GND

Chromatisch-konfokale Systeme fokussieren die spektralen Kompenenten eines polychromatischen Signals auf unterschiedliche räumliche Positionen, an denen sie mit Hilfe von Blenden gefiltert werden. Auf diese Weise können Informationen einerseits in der Spektralverteilung eines optischen Signals gespeichert werden. Anderseits kann auch die Spektralverteilung eines polychromatischen Signals ermittelt werden. Chromatisch-konfokale Systeme werden häufig zur berührungslosen Abstandsmessung und für die ortsaufgelöste Spektroskopie eingesetzt. In dieser Arbeit werden Designstrategien für chromatisch-konfokale Systeme entwickelt. Ein Schwerpunkt liegt auf der systematischen Modellierung der Signalentstehung unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften des optischen Systems, der Abbildungsfehler und der Eigenschaften des Detektionssystems. Hierbei werden insbesondere auch inkohärente Lichtquellen und räumlich ausgedehnte Beleuchtungsgeometrien berücksichtigt. Schnelle numerische Implementationen dieser Modelle erlauben in allen Stadien des Designprozesses eine Vorhersage des spektralen Filterverhaltens. Das spektrale Filterverhalten wird als primäres Bewertungskriterium für die Leistungsfähigkeit des optischen Systems verwendet und wird zur Ableitung effektiver Designstrategien herangezogen. Die Designstrategien umfassen sowohl die Entwicklung von Startsystemen als auch den nachfolgenden Optimierungsprozess, bei dem monochromatische Abbildungsfehler berücksichtigt werden. Der Fokus liegt hierbei insbesondere auf der nachträglichen Korrektur der Abbildungsfehler während der Signalverabeitung und auf ihrer automatischen Kompensation durch bestimmte Systemanordnungen. In Kombination mit den neu entwickelten Signalerzeugungsmodellen ermöglicht dieser Ansatz die Entwicklung optimierter, kompakter und günstiger Sensorsysteme, die auf die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsgebietes zugeschnitten sind und auf kostengünstigen Lichtquellen wie Leuchtdioden basieren. Die vorgestellten Designstrategien werden für die Entwicklung verschiedener Demonstrator- und kommerzieller Sensorsysteme eingesetzt.

Chromatic confocal systems focus the spectral components of a polychromatic signal at different spatial positions where they are filtered with apertures. This approach is used for the encoding and decoding of information in the spectral distribution of an optical signal. The most common applications are distance sensors and hyperspectral imaging systems. In this thesis the design of chromatic confocal systems is discussed. Advanced signal models are developed systematically which take into account the physical properties of the optical system, its aberrations, and the properties of the detection system. They include incoherent light sources as well as illumination geometries of finite size and are implemented using fast numerical techniques. The signal models enable an accurate prediction of the spectral filtering characteristic which is used as the main performance criterion at all stages of the design process. Based on this performance criterion, strategies for the efficient development of starting systems are derived. They are accompanied by an aberration discussion which is focused on the compensation of aberrations in post processing and through specific optical layouts. In combination with the newly developed signal models, this approach enables the design of optimized, compact, and cost effective sensor systems which are tailored to the application-specific requirements and use cheap incoherent light sources like light-emitting diodes. The design strategies are used for the development of several demonstrators and commercial sensor systems.

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Hillenbrand, Matthias: Design of confocal systems for spectral information coding. 2016.

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