DE102006047909A1

DE102006047909A1 - Anordnung und Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode oder LED

Info

Publication number: DE102006047909A1
Application number: DE200610047909
Authority: DE
Inventors: Hans Schlüter; Ehrhardt Hülße; Uwe Patz
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-10

Abstract

Anordnung zum Betrieb einer Laserdiode oder LED, insbesondere zum Betrieb in einem Laser-Scanning-Mikroskop (LSM), wobei zur Leistungsreduzierung mindestens ein einschwenkbarer optischer Abschwächer der Diode oder LED nachgeordnet ist.

Description

Bekannt ist es, Laserdioden in der Leistung zu regeln. Dies geschieht durch eine Rückkopplungsschleife. Diese besteht aus einer Fotodiode, einem Strom-Spannungswandler einem Regelverstärker, einem Vergleicher und einer regelbaren Stromquelle. (1).
1a zeigt eine Fotodiode der über einen Strahlteiler ein Teil des Laserlichtes zur Leistungsmessung zugeführt wird.
1b zeigt schematisch eine in die Laserdiode integrierte Leistungsmessung und Regelung.
Aufgrund der Laserdiodeneigenschaften sind diese Systeme bei kleinen Leistungen schlecht regelbar. Von den Lichtquellen des Laser-Scanning-Mikroskopes wird allerdings eine hohe Konstanz der Leistungsabgabe gefordert.
Zusätzlich verliert die Laserdiode bei Betrieb unterhalb des Schwellstromes ihre Lasereigenschaften. Rauschen, spektrale Verbreiterung und fehlende Kohärenz zeigen dies. Der Quotient aus maximaler Laserleistung zu minimaler Laserleistung ist typischerweise 40:1. In der Laserscanningmikroskopie werden hochwertige Lichtquellen benötigt, die über eine hohe Ausgangsdynamik verfügen. Typischerweise ist die Anforderung an die Ausgangsdynamik des Beleuchtungssystems eines Laserscanningmikroskopes 1000:1. Das heißt, die maximal mögliche Ausgangsleistung soll das 1000-fache der minimal möglichen Ausgangsleistung betragen. Dies ist mit dem Prinzip aus Skizze 1 nicht zu gewährleisten.
Gleichzeitig müssen die Lichtquellen innerhalb weniger Mikrosekunden ein und ausschaltbar sein. Diese Anforderung an die Regelbarkeit der Leistungsabgabe wird durch akustooptische Transmissionsfilter (AOTF) realisiert.
Erfindungsgemäss erfolgt eine Herabsetzung der Leistung durch Einschwenkung eines optischen Abschwächers wie eines Filters (Graufilter). Vorteilhaft wird der Filter bei einem Laser-Scanning-Mikroskop nach der Einkoppelfaser in das Mikroskop eingeschwenkt. Hierdurch kann beispielsweise die Leistung zusätzlich zur oben beschriebenen Einstellung beispielsweise auf 1/35 tel herabgesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird durch diese einfache Maßnahme eine Funktion des ansonsten zur Leistungsregelung (und Wellenlängeneinstellung) vorhandenen AOTF übernommen. Das bedeutet eine Kostenreduzierung, eine Vereinfachung des Strahlenganges und geringere Wärme- und Geräuschentwicklung.
Durch den möglichen Wegfall des AOTF (bei Zuführung jeder Wellenlänge separat, z.B. über separate Fasern) kann auch eine „echte„ Reduzierung der Intensität auf Null erfolgen (durch einfaches Abschalten der Laserdiode), während beim AOTF stets eine Resttransmission vorhanden ist.
Hierdurch kann vorteilhaft das Messsystem des Laser-Scanning-Mikroskops völlig ohne beaufschlagte Strahlung abgeglichen werden.
In 4a und 4b sind schematisch einschwenkbare Abschwächer nach der Lichtquelle dargestellt, in 4a direkt nach der Lichtquelle, in 4b nach einem Leistungsmonitor.
In 5 ist die Einkopplung mehrerer Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge über schematisch dargestellte Lichtleitfasern und Kollimatoren in den Strahlengang eines Laser-Scanning Mikroskopes (wie in DE 197 02 753 A1 dargestellt.
Als unterste Lichtquelle ist eine Laserdiode dargestellt.
Hier befindet sich der einschwenkbare Abschwächer im Scankopf des LSM, also hinter der Faser und dem Kollimator, dem Licht der Laserdiode nachgeordnet.
Erfindungsgemäss ist die Einschwenkung des Abschwächers mit einer weiteren vorteilhaften Maßnahme kombinierbar.
Erfindungsgemäß werden statt des cw Lichtes Pulse erzeugt und diese werden einzeln oder gemittelt vermessen. Die Leistungsregelung besteht hier aus dem Vermessen und Einstellen von Pulslänge und Pulshöhe.
Notwendigerweise ist die Pulsfrequenz ein Vielfaches der Abtastfrequenz bei der LSM-Bildabtastung. Sie muss beim LSM über der Abtastfrequenz liegen, damit jeder Bildpunkt beleuchtet werden kann, liegt jedoch unterhalb der für die untersuchten Probe erforderlichen Reaktionszeit (z.B. kleiner 500Mhz).
Allgemein ist die Frequenz von der Schnelligkeit der Applikation abhängig, für die die Laserdiode eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist die Frequenz einstellbar bzw. umschaltbar, beispielsweise über einen umschaltbaren Teiler für einen Schwingquarz (aus dem Stand der Technik bekannt).
Es erfolgt eine erfindungsgemässe Kombination von Lichtpulsung, Einstellung und Messung der Lichtpulse. Hierdurch kann die mittlere Leistung bei kleinen Leistungen genau und konstant eingestellt werden.
Vorteilhaft erfolgt die Regelung über die Einstellung der Pulsbreite da die Pulshöhe ein oberes Limit hat, um zu hohe Strahlungsspitzen zu vermeiden.
Die Pulshöhe wird über den Diodenstrom eingestellt und die Pulsbreite wird anhand der Pulslänge gemessen.
Hierbei ist keine Detailkenntnis der genauen Pulsform erforderlich, weil eine Energiemessung als Regelgröße herangezogen werden kann.
Die Erfindung ist nicht nur auf den Betrieb von Laserdioden beschränkt sondern kann vorteilhaft auch bei LED's betrieben werden. Auch hier sind kleine Leistungen schwer reproduzierbar einzustellen.
In 2 ist dargestellt, wie eine Lichtquelle angesteuert wird, indem anhand des pulsweisen Erfassens der Energie über einen Leistungsmonitor und einem Sollwertvergleich eine Leistungsregelung über eine Pulsregelung und Einstellung erfolgt.
Über einen Leistungsmonitor und ein Messsystem zur Bestimmung der Pulsform erfolgt in einem Pulsweitengenerator eine Einstellung der Pulsform anhand eines Steuerrechners (z.B. FPGA) in einer Ansteuereinheit, die mit allen Komponenten verbunden ist, für die benötigte Laserleistung.
In 3a sind die einzelnen Pulse dargestellt, die in der Höhe h sowie der Länge I eingestellt werden.
Hierdurch wird die mittlere Leistung der Lichtquelle genau und konstant geregelt.
In 3b ist dies im einzelnen dargestellt. Die Elektronik wertet die pro Puls gemessene Energie aus. Sie regelt die Pulslänge bzw. die Pulshöhe der Lichtausgabe so, dass der Vorgabewert vom LSM erzielt wird. Die Lichtausgabe erfolgt synchronisiert zu einem ganzzahligen Vielfachen des Pixeltaktes
Die Photodiode zur Lichtkontrolle liefert einen Strom der proportional zur Lichtleistung ist, der in einem I/U Wandler in eine Spannung umgewandelt wird, verstärkt wird, integriert wird (entsprechend des vorgegebenen Pixeltaktes). Nach einem Sollwertvergleich (Vergleicher) erfolgt die Pulseinstellung (Pulsweitensteller sowie Einstellung auf n-fachen Pixeltakt des LSM:)
Das Licht der Laserdiode gelangt zum LSM, dessen Pixeltakt (bzw. ein ganzzahliges davon) zur Pulsansteuerung dient. Weiterhin erfolgt die Sollwertvorgabe für die Diodenleistung vom LSM aus.
Vorteilhaft wird diese Leistungsregelung mit dem der Applikation entsprechenden Messprozess synchronisiert.
Beispielsweise beim LSM wird aus dem Messprozess der Bildabtastung ein Taktsignal verwendet, um die Häufigkeit der Lichtpulse (Pulsfrequenz) so zu takten, dass pro Anregungspunkt (Bildpunkt) mindestens ein Anregungspuls erzeugt wird, auf jeden Fall aber eine ganzzahlige Anzahl Lichtpulse pro Bildpunkt ausgegeben wird.
Hierdurch kann der Bildaufnahmeprozess (Scanzeit) insgesamt verschnellert werden, da es sicher ist, dass jeder abgetastete Probenpunkt mit der erforderlichen Energie angeregt wird. Es können dadurch schnellere Prozesse erfasst werden und die Probe wird geschont.
Im unsynchronisierten Betrieb wären beispielsweise 100 Pulse pro Pixel (Bildpunkt) erforderlich. Durch die Regelung kann das bis um den Faktor 100 reduziert werden.
Da die Bildabtastung beispielsweise beim LSM auch mit unterschiedlicher Abtastfrequenzen erfolgen kann (z.b. bei schnelleren und langsameren Vorgängen), erfolgt vorteilhaft eine synchronisierte Umschaltung der Pulsfrequenz entsprechend dem Abtastraster des Mikroskopes.
Vorteilhaft können auch mehrere Pulse pro Bildpunkt eingestellt werden und dadurch mögliche Fehler bei der Energieeinstellung (z.B., durch ungenaues Monitoring bzw. statistische Fehler der Monitordiode) herausgemittelt werden.
Dies ist in 3b näher dargestellt.

1 ist der Pixeltakt des Mikroskopes. Ziel ist es, während eines Pixeltaktes eine reproduzierbare Energie zu deponieren
2 ist ein langsames PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) ohne Synchronisation, das keine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet. Verschiedene Pixel erhalten verschiedene Energien, da sich die gepulste Lichtausgabe gegen den Pixeltakt verschiebt. In diesem Fall (1,46-facher Pixeltakt) schwankt die Energie pro Pixel zwischen 68% und 146% des gewünschten Mittelwertes.
3 ist ein schnelles unsynchronfsiertes PWM-Signal das bei ausreichend hoher Frequenz eine gute Reproduzierbarkeit der pro Pixel deponierten Energie gewährleistet. In diesem Fall (8.7-facher Pixeltakt) schwankt die Energie pro Pixel jedoch zwischen 87% und 115% des gewünschten Mittelwertes (was für LSM immer noch zu ungenau ist!).
4 stellt eine synchronisierte PWM-Ausgabe im zehnfachen Pixeltakt dar die eine sehr gut reproduzierbare Energiedeposition pro Pixel gewährleistet. Die Genauigkeit der Energiedeposition hängt von der Güte der PWM-Energieregelung ab.

In 3c ist ein einzelner Puls dargestellt, dessen Länge und Höhe erfindungsgemäss eingestellt wird.

Claims

Anordnung zum Betrieb einer Laserdiode oder LED, insbesondere zum Betrieb in einem Laser-Scanning-Mikroskop (LSM), wobei zur Leistungsreduzierung mindestens ein einschwenkbarer optischer Abschwächer der Diode oder LED nachgeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Abschwächer ein Filter, insbesondere ein Graufilter ist.
Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode oder LED, insbesondere zum Betrieb in einem Laser-Scanning-Mikroskop (LSM), nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Leistungsreduzierung die Lichtstrahlung gepulst wird und die mittlere Leistung durch Einstellung der Pulsform eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einstellung der Pulsform durch Einstellung der Pulshöhe und/oder der Pulslänge erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Messung der mittleren Strahlungsleistung erfolgt und als Stellgrösse die Pulsform dient.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zusätzlich die Pulsfrequenz einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Stellgrössen die Frequenz, Pulslänge oder Pulshöhe alternativ oder gemeinsam einstellbar sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lichtstrahlung gepulst wird und der Pulstakt mit dem Takt des Messsystems synchronisiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei der Bildaufnahme mit dem LSM pro aufgenommenem Bildpixel ein Puls oder ein ganzzahliges Vielfaches pro Pixel erzeugt wird.