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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels, mit einer zumindest
teilweise innerhalb des Lichtbündels angeordneten
Lichtleitfaser, die einen Mantel und einen Kern aufweist und einen
Teil des Lichtes des Lichtbündels
aufnimmt und einem Detektor zuführt.
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Außerdem betrifft die Erfindung
ein Mikroskop.
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Zur Messung der Leistung eines Lichtstrahles
ist es allgemein üblich,
einen Messstrahl aus dem Lichtstrahl mit einem Strahlteiler abzuteilen
und mit Hilfe eines Detektors, der ein zur Leistung des Messstrahles
proportionales elektrisches Signal erzeugt, zunächst die Leistung des Messstrahles
zu ermitteln, um anschließend
bei Kenntnis des Teilungsverhältnisses
des Strahlteilers auf die Leistung des Lichtstrahles zu schließen. Aus
der Offenlegungsschrift
DE
197 02 753 A1 ist eine Anordnung zur Überwachung der in einen Scankopf
eingekoppelten Laserstrahlung, mittels eines Detektionselementes,
auf das ein Teil der eingekoppelten Strahlung über einen Strahlteiler gelenkt
wird, bekannt.
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Aus
DE 35 32 047 C2 ist eine Einrichtung zum
Erfassen der radialen Intensitätsverteilung
einer Laserstrahlung bekannt. Die Einrichtung weist einen gemeinsam
mit einem Träger
drehbar gelagerten Wellenleiter auf, dessen äußeres Ende während der Drehung
den Laserstrahl kreuzt und dabei durch die Stirnfläche jeweils
einen Teil der Laserstrahlung erfasst und einem Detektor zuführt.
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Aus
DE 31 27 086 C2 ist ein Gerät zur Messung
des Tageslichtes bekannt, das eine zylinderflächenförmige Schlitzblende und ein
photoelektrisches Element aufweist, wobei zur Lichtübertragung
zum photoelektrischen Element ein Lichtleiter vorgesehen ist. Der
Lichtleiter nimmt das Licht durch eine kegelförmig ausgebildete Stirnfläche auf.
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Anordnungen der genannten Art erreichen nur
eine begrenzte Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Sie sind anfällig gegen äußere Störungen,
insbesondere gegen Vibrationen und thermische Einflüsse.
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In der Scanmikroskopie wird eine
Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet, um das von der Probe emittierte
Detektionslicht, als Reflexions- oder Fluoreszenzlicht, zu beobachten.
Der Fokus eines Beleuchtungslichtstrahles wird mit Hilfe einer steuerbaren
Strahlablenkeinrichtung, im Allgemeinen durch Verkippen zweier Spiegel,
in einer Probenebene bewegt, wobei die Ablenkachsen meist senkrecht
aufeinander stehen, so dass ein Spiegel in x-, der andere in y-Richtung
ablenkt. Die Verkippung der Spiegel wird beispielsweise mit Hilfe
von Galvanometer-Stellelementen bewerkstelligt. Die Leistung des
vom Objekt kommenden Detektionslichtes wird in Abhängigkeit
von der Position des Abtaststrahles gemessen. Üblicherweise werden die Stellelemente
mit Sensoren zur Ermittlung der aktuellen Spiegelstellung ausgerüstet.
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Speziell in der konfokalen Scanmikroskopie wird
ein Objekt mit dem Fokus eines Lichtstrahles in drei Dimensionen
abgetastet. Ein konfokales Rastermikroskop umfasst im Allgemeinen
eine Lichtquelle, eine Fokussieroptik, mit der das Licht der Quelle
auf eine Lochblende – die
sog. Anregungsblende – fokussiert
wird, einen Strahlteiler, eine Strahlablenkeinrichtung zur Strahlsteuerung,
eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis
des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichtes. Das Beleuchtungslicht wird über einen
Strahlteiler eingekoppelt. Das vom Objekt kommende Fluoreszenz-
oder Reflexionslicht gelangt über
die Strahlablenkeinrichtung zurück
zum Strahlteiler, passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende
fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren befinden. Diese
Detektionsanordnung wird Descan-Anordnung genannt. Detektionslicht,
das nicht direkt aus der Fokusregion stammt, nimmt einen anderen Lichtweg
und passiert die Detektionsblende nicht, so daß man eine Punktinformation
erhält,
die durch sequentielles Abtasten des Objekts mit dem Fokus des Beleuchtungslichtstrahles
zu einem dreidimensionalen Bild führt. Meist wird ein dreidimensionales
Bild durch schichtweise Bilddatennahme erzielt. Kommerzielle Scanmikroskope
bestehen meist aus einem Scanmodul, dass an das Stativ eines klassischen
Lichtmikroskops angeflanscht wird, wobei das Scanmodul alle genannten
zur Abrasterung einer Probe zusätzlich
nötigen
Elemente beinhaltet.
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Eine bekannte Methode, Schwankungen
und Fluktuationen der Beleuchtungslichtleistung auszugleichen bzw.
zu korrigieren, beruht darauf, mit Hilfe eines Strahlteilers von
dem Beleuchtungslichtstrahl einen Messstrahl abzuteilen und zur
Bilderzeugung oder zur Bildberechnung das Verhältnis der gemessenen Leistungen
von Messstrahl und Detektionslichtstrahl zu verwenden. Diese Vorgehensweise
ist beispielsweise in der Veröffentlichung
G.J. Brakenhoff, Journal of Microscopy, Vol. 117, Pt 2, November 1979,
S. 233-242 offenbart.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 199 44 148 A1 offenbart
ein Laserscanmikroskop, vorzugsweise konfokales Laserscanmikroskop,
und ein Verfahren zur Referenzkorrektur für ein Laserscanmikroskop, insbesondere
für ein
konfokales Laserscanmikroskop, mit einem zwischen einer Laserlichtquelle und
einem Objekt verlaufenden Beleuchtungsstrahlengang und einem zwischen
dem Objekt und einer Detektionseinrichtung verlaufenden Detektionsstrahlengang.
Zur Fehlerkorrektur ist in mindestens einem zur Referenzmessung
dienenden Referenzstrahlengang aus dem Beleuchtungsstrahlengang
Referenzlicht einkoppelbar und von einer Detektionseinrichtung qualitativ
und/oder quantitativ nachweisbar.
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In der bereits erwähnten Oftenlegungsschrift
DE 197 02 753 A1 ist
weiterhin offenbart, dass in der Scanmikroskopie durch Bildung von
Signalquotienten oder durch Signalsubtraktion eines Detektionssignales
und eines Monitorsignales eine Rauschverminderung bewirkt wird und
Intensitätsfluktuationen verringerbar
sind. Die bekannten Mikroskope erreichen jedoch auf Grund der bereits
angeführten
begrenzten Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Leistungsmessung
nur eine grobe Kompensation von Schwankungen des Beleuchtungslichtes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung vorzuschlagen, die eine weitgehend genaue und reproduzierbare
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtstrahles ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels gelöst, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass zumindest ein Teil des Mantels entfernt ist und der Kern
der Lichtleitfaser angeschliffen oder aufgeraut ist.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung,
ein Mikroskop anzugeben, das eine zuverlässige Ermittlung der Beleuchtungslichtleistung
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Mikroskop
mit einer Lichtquelle, die ein Lichtbündel zur Beleuchtung einer
Probe emittiert, wobei zur Ermittlung der Lichtleistung des Lichtbündels eine
Lichtleitfaser zumindest teilweise innerhalb des Lichtbündels angeordnet
ist, die einen Mantel und einen Kern aufweist und einen Teil des
Lichtes des Lichtbündels
aufnimmt und einem Detektor zuführt,
wobei zumindest ein Teil des Mantels entfernt ist und der Kern der
Lichtleitfaser angeschliffen oder aufgeraut ist, gelöst.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass
eine zuverlässige
Messung der Lichtleistung eines Lichtstrahles ermöglicht ist.
Weiterhin hat die Erfindung den Vorteil einer zuverlässigen,
störungsunanfälligen und
weitgehend genauen Kompensation von Lichtleistungsschwankungen,
insbesondere von Schwankungen des Beleuchtungslichtes zur Beleuchtung
einer Probe in der Mikroskopie und in der Scanmikroskopie.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die bekannten
Ungenauigkeiten und die unbefriedigende Reproduzierbarkeit bekannter
Vorrichtungen zur Messung der Lichtleistung eines Lichtstrahles
unter anderem auf Interferenzen innerhalb des Messlichts zurückzuführen sind,
die schon bei geringsten mechanischen oder thermischen Störungen zu
großen Schwankungen
der gemessenen Lichtleistung führen.
Auf Grund dieser Nachteile sind einer genauen Kompensation von Schwankungen
der Beleuchtungslichtleistung oder einer Stabilisierung der Beleuchtungslichtleistung
in einem Mikroskop Grenzen gesetzt.
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Die Lichtleitfaser weist einen Mantel
und einen Kern auf. Vorteilhafter Weise ist ein Teil des Mantels
entfernt, so dass an dieser Stelle Licht des Lichtbündels in
die Lichtleitfaser gelangt und durch Totalreflexion weiter transportiert
wird. Der Kern ist angeschliffen oder aufgeraut. Insbesondere die
aufgeraute Variante arbeitet, durch das Entstehen von Streulicht,
das große
Anteile von Lichtstrahlen enthält,
die die Totalreflexionsbedingung in der Lichtleitfaser erfüllen, sehr
effektiv.
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In einer bevorzugen Ausgestaltung
ist zur Halterung der Lichtleitfaser eine Hülse vorgesehen, die derart
angeordnet ist, dass sie das Lichtbündel ohne Abschattungen umschließt.
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In einer Ausführungsform trifft das Licht
des Lichtbündels
axial auf die Lichtleitfaser. In einer anderen Ausführungsform
trifft das Licht des Lichtbündels
seitlich auf die Lichtleitfaser, die vorzugsweise im Auftreffbereich
vom Mantel befreit ist.
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Durch Messen der Leistung des abgespaltenen
Lichtes bei verschiedenen Positionen der Lichtleitfaser im Lichtbündel, lässt sich
das Strahlprofil des Lichtbündels
abtasten und vermessen. Zu diesem Zweck ist die Lichtleitfaser relativ
zum Lichtbündel verschiebbar
angebracht. Vorzugsweise sind Verschiebetische vorgesehen, die eine
kontrollierte und messbare Verschiebung des messwirksamen Teils der
Lichtleitfaser ermöglichen.
Vorzugsweise ist für jede
Raumrichtung eine Verschiebevorrichtung vorgesehen.
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In einer bevorzugen Ausgestaltung
erzeugt der Detektor ein zur Leistung des abgespaltenen Lichtes
proportionales elektrisches Signal, das als Messsignal zur Regelung
bzw. Stabilisierung der Leistung des Lichtbündels dient. In einer anderen
Variante dient das elektrische Signal zur Wichtung des Detektionssignals,
das durch Messung der Leistung des von der Probe ausgehenden Lichtes
gewonnen wird. Die Wichtung erfolgt im einfachsten Fall durch Bildung
des Signalquotienten.
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In einer weiteren Ausführungsvariante
ist eine Optik vorgesehen, die das Lichtbündel auf eine Fokusebene in
der Probe fokussiert, wobei die Lichtleitfaser in einer Fourierebene
zur Fokusebene angeordnet ist.
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In einer bevorzugen Ausgestaltung
ist das Mikroskop ein Scanmikroskop oder ein konfokales Scanmikroskop.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand
schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend
beschrieben, wobei gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen
versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
bekannte Vorrichtung zur Lichtleistungsmessung,
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2 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtstrahles,
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3 eine
weitere erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtstrahles,
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4 eine
weitere Erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtstrahles;
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5 eine
weitere Erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtstrahles und
-
6 ein
erfindungsgemäßes Mikroskop.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zur Lichtleistungsmessung nach dem Stand der Technik.
Die Vorrichtung umfasst einen Strahlteiler 2, der aus einem Substrat 3 mit
einer teilreflektierenden Beschichtung 5 besteht. Auf den
Strahlteiler 2 trifft das einfallende Lichtbündel 7.
An der Beschichtung 5 wird durch Reflexion Messlicht 9 abgespalten,
das auf den in einem Abstand von ca. 3 cm angeordneten Detektor 11 trifft. Das
Teilungsverhältnis
beträgt
ca. 50:1. Der durch die Beschichtung 5 tretende Teil der
Lichtbündels 7 erfährt an der
unbeschichteten Grenzfläche 13 des Substrates 3 eine
weitere – ungewollte – Abspaltung. Weiteres
Messlicht 15, dessen Leistung ca. 4% der Leistung des durch
die Beschichtung getretenen Teils des Lichtbündels 7 beträgt; wird
an der Grenzfläche 13 zum
Detektor 11 reflektiert. Das an der Beschichtung 5 abgespaltene
Messlicht 9 interferiert am Detektor mit dem an der unbeschichteten
Grenzfläche 13 des
Substrates 3 abgespaltenen weiteren Messlichts 15.
Schon geringste Variationen der optischen Weglänge zwischen dem Strahlteiler 2 und dem
Detektor 11, sowie im Substrat 3, beispielsweise durch
Temperaturänderungen,
als auch Luftdruckschwankungen oder Vibrationen, führen zu
einer Änderung
der Interferenz, die sich in einer großen Variation der gemessenen
Lichtleistung niederschlägt.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels 7. Die Vorrichtung
umfasst eine Lichtleitfaser 17, die einen Kern 19 und
einen Mantel 21 aufweist. Ein Endteil der Lichtleitfaser
befindet sich innerhalb des Lichtbündels 7. An dieser
Stelle ragt der Kern 19 aus dem Mantel 21. Die
Lichtleitfaser 17 nimmt einen Teil des Lichtes des Lichtbündels 7 als
Messlicht auf und leitet es zu einem Detektor 23, der als
Photodiode 25 ausgeführt
ist. Der Detektor 23 erzeugt ein zur Leistung des auftreffenden
Messlichtes proportionales elektrisches Signal, das über die
Leitung 27 einer Verarbeitungseinheit 29 zuführbar ist.
Die Vorrichtung ist kalibriert und die Kalibrationsdaten sind in
einem Speicher der Verarbeitungseinheit 29 abgelegt. Die
Verarbeitungseinheit 29 ordnet jeder gemessenen Leistung
des Messlichts einen Leistungswert zu, der der Leistung des Lichtbündels entspricht.
Dieser Leistungswert ist auf der Ausgabevorrichtung 31,
die als LCD-Display ausgeführt
ist, ablesbar. Zur Befestigung und Justierung des in das Lichtbündel 7 ragenden
Teils der Lichtleitfaser 17 dient eine Haltevorrichtung 33,
die eine Verschiebung in drei Raumrichtungen ermöglicht.
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3 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels. Als Haltevorrichtung 33 ist
in dieser Ausführung
eine Hülse 35 vorgesehen,
die eine seitliche Öffnung 37 aufweist,
in der die Lichtleitfaser 17 eingeklemmt ist. Die Hülse 35 ist
relativ zum Lichtbündel 7 so
angeordnet, dass keine Abschattungen durch die Hülse auftreten.
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4 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels. In dieser Ausführung weist
die Lichtleitfaser
17 in einem mittleren Bereich ein vom
Mantel 21 befreites Stück 39 auf,
das wesentlich kürzer
als der Durchmesser des Lichtbündels 7 ist.
Die Haltevorrichtung 33 ist als Hülse 41 mit zwei Bohrungen 43, 45 ausgeführt, durch
die die Lichtleitfaser 17 verläuft. Die Lichtleitfaser 17 ist über zwei
Rollen 47, 49 gespannt. Ein Ende der Lichtleitfaser
ist auf einer Federspule 51 aufgerollt. Das andere Ende
ist auf eine Motorspule 53, die von einem Motor 55 angetrieben ist,
aufgewickelt. Mit dem Motor kann das vom Mantel 21 befreite
Stück 39 der
Lichtleitfaser 17 entlang der Längsachse der Lichtleitfaser 17 durch
das Lichtbündel
gezogen und – damit
Licht aus verschiedenen Bereichen des Lichtbündels 7 abgespalten
werden. Die Hülse 41 ist
mit einer Verschiebevorrichtung 57 senkrecht zur der vom
Lichtbündel 7 und
der gespannten Lichtleitfaser 17 aufgespannten Ebene verschiebbar, so
dass ein systematisches Abtasten des Strahlprofils des Lichtbündels 7 ermöglicht ist.
Zusätzlich
ist eine weitere, der Übersichtlichkeit
halber nicht eingezeichnete Verschiebevorrichtung vorgesehen, die
ein Verschieben der Hülse 41 entlang
der Ausbreitungsrichtung des Lichtbündels 7 – und somit
das Abtasten des dreidimensionalen Strahlprofils des Lichtbündels 7 – ermöglicht.
Zur mechanischen Verstärkung
der gespannten Lichtleitfaser 17 kann zusätzlich ein
Führungsfaden
vorgesehen sein.
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5 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels 7. Die Vorrichtung
entspricht weitgehend der in 3 gezeigten
Vorrichtung. Ein Endteil der Lichtleitfaser 17 befindet
sich innerhalb des Lichtbündels 7.
Das Endteil weist eine Biegung 59 auf, die so ausgebildet
ist, dass das Licht des Lichtbündels 7 direkt
auf die Querschnittsfläche
des Kerns 19 trifft.
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6 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Mikroskop 61,
das als konfokales Scanmikroskop ausgeführt ist. Das von einem Lichtquelle 63 kommende
Lichtbündel 7 ist
mit der Optik 65 auf eine Beleuchtungsblende 67 fokussiert. Über einen Strahlteiler 69 gelangt
das Lichtbündel 7 zum
kardanisch aufgehängten
Scanspiegel 71, der das Lichtbündel 7 durch die Scanoptik 73,
die Tubusoptik 75 und das Objektiv 77 hindurch über bzw.
durch die Probe 79 führt.
Das Lichtbündel 7 wird
bei nicht transparenten Proben 79 über die Probenoberfläche geführt. Bei
biologischen Proben 79 (Präparaten) oder transparenten
Proben kann das Lichtbündel 7 auch durch
die Probe 79 geführt
werden. Dies bedeutet, dass aus verschiedenen Fokusebenen des Objekts nacheinander
durch das Lichtbündel 7 abgetastet werden.
Die nachträgliche
Zusammensetzung ergibt dann ein dreidimensionales Bild der Probe 79.
Das von der Probe 79 ausgehende Detektionslicht 81 gelangt
durch das Objektiv 77, die Tubusoptik 75 und die
Scanoptik 73 hindurch und über den Scanspiegel 71 zum
Strahlteiler 69, passiert diesen und trifft nach Passieren
der Detektionsblende 83 auf eine Detektorvorrichtung 85,
die als Photomultiplier ausgeführt ist.
In der Detektorvorrichtung 85 werden elektrische, zur Leistung
des Detektionslichts 81 proportionale elektrische Detektionssignale
erzeugt und über
die Leitung 87 an die Verarbeitungseinheit 89 weitergegeben.
In der Pupillenebene des Objektivs 77 ist eine Vorrichtung 1 zur
Ermittlung der Lichtleistung des Lichtbündels 7 angeordnet.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtleitfaser 17,
die einen Kern 19 und einen Mantel 21 aufweist.
Ein Endteil der Lichtleitfaser befindet sich innerhalb des Lichtbündels 7.
An dieser Stelle ragt der Kern 19 aus dem Mantel 21.
Die Lichtleitfaser 17 nimmt einen Teil des Lichtes des
Lichtbündels 7 als
Messlicht auf und leitet es zu einem Detektor 23, der als
Photodiode 25 ausgeführt
ist. Der Detektor 23 erzeugt ein zur Leistung des auftreffenden
Messlichtes proportionales elektrisches Signal, das über die
Leitung 91 einer Verarbeitungseinheit 89 zugeführt wird.
Die Vorrichtung ist kalibriert und die Kalibrationsdaten sind in
einem Speicher der Verarbeitungseinheit 89 abgelegt. Die
Verarbeitungseinheit 89 ordnet jeder gemessenen Leistung
des Messlichts einen Leistungswert zu, der der Leistung des Lichtbündels entspricht.
In der Verarbeitungseinheit 89 werden die eingehenden Analogsignale
zunächst digitalisiert
und dann digital miteinander verrechnet und eine korrigierten Detektionslichtleistung
ermittelt. Diese wird an einen PC 93 weitergegeben. Der korrigierten
Detektionslichtleistung wird anhand eines Positionssignals des kardanisch
aufgehängten
Spiegels die Position des zugehörigen
Rasterpunktes zugeordnet und die Daten aller Rasterpunkte zu einem Abbild
der Probe 79 zusammengesetzt, das auf einem Display 95 dargestellt
ist.
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Die Erfindung wurde in Bezug auf
eine besondere Ausführungsform
beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen
und Abwandlungen durchgeführt
werden können,
ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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- 1
- Vorrichtung
zur Ermittlung der Lichtleistung eines Lichtbündels .
- 2
- Strahlteiler
- 3
- Substrat
- 5
- Beschichtung
- 7
- Lichtbündel
- 9
- Messlicht
- 11
- Detektor
- 13
- unbeschichtete
Grenzfläche
- 15
- weiteres
Messlicht
- 17
- Lichtleitfaser
- 19
- Kern
- 21
- Mantel
- 23
- Detektor
- 25
- Photodiode
- 27
- Leitung
- 29
- Verarbeitungseinheit
- 31
- Ausgabevorrichtung
- 33
- Haltevorrichtung
- 35
- Hülse
- 37
- Öffnung
- 39
- vom
Mantel befreites Stück
- 41
- Hülse
- 43
- Bohrung
- 45
- Bohrung
- 47
- Rolle
- 49
- Rolle
- 51
- Federspule
- 53
- Motorspule
- 55
- Motor
- 57
- Verschiebevorrichtung
- 59
- Biegung
- 61
- Mikroskop
- 63
- Lichtquelle
- 65
- Optik
- 67
- Beleuchtungsblende
- 69
- Strahlteiler
- 71
- Scanspiegel
- 73
- Scanoptik
- 75
- Tubusoptik
- 77
- Objektiv
- 79
- Probe
- 81
- Detektionslicht
- 83
- Detektionsblende
- 85
- Detektorvorrichtung
- 87
- Leitung
- 89
- Verarbeitungseinheit
- 91
- Leitung
- 93
- PC
- 95
- Display