DE102008005337B4

DE102008005337B4 - Laser-Scanning-Mikroskop mit variabler Lichtintensität und Steuerverfahren für ein solches

Info

Publication number: DE102008005337B4
Application number: DE102008005337.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Huhse Dieter; Stefan Wilhelm; Hans Schlüter; Alexander Liebhold; Erhardt Hülsse; Uwe Patz
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: WO2009090028A1; US20110051234A1; US8530810B2; DE102008005337A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer direkt modulierten Laserdiode (10) eines Laser-Scanning-Mikroskops (1), die bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuergröße eine von dem Betrag der Steuergröße abhängige Anstiegsverzögerung der Lichtintensität aufweist, während eines Abtastvorgangs, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:a) Identifizieren, dass eine mit der Laserdiode (10) zu erzielende oder erzielte Intensität unter einen unteren Grenzwert fällt oder unter dem unteren Grenzwert liegt,b) Stromlosschalten der Laserdiode (10),c) Bereitstellen eines elektrischen Zwischenstroms,d) Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität über einen oberen Grenzwert steigt,e) Durchströmen der Laserdiode (10) mit dem Zwischenstrom undf) Einstellen des Diodenstroms entsprechend der zu erzielenden Intensität,wobei zum Stromlosschalten die Laserdiode (10) kurzgeschlossen wird und zum Durchströmen der Kurzschluss aufgehoben wird,zum Bereitstellen des elektrischen Stroms ein Ausgangsstrom einer Stromquelle (13) auf die Stärke des Zwischenstroms begrenzt wird und wobei nach dem Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität den oberen Grenzwert übersteigt, und vor dem Durchströmen der Laserdiode (10) die Strombegrenzung aufgehoben oder auf einen Maximalstrom der Laserdiode (10) eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) sowie Verfahren zur Steuerung eines Laser-Scanning-Mikroskops während eines Abtastvorgangs und eine entsprechend eingerichtete Ansteuerungseinheit.
Laser-Scanning-Mikroskope dienen der konfokalen Aufnahme von Bildern einer Probe durch Abtastung (engl. „scanning“) mittels eines üblicherweise mäanderförmig abgelenkten Laserstrahls.
Aus der US 2006/0086887 A1 ist ein Laser-Scanning-Mikroskop bekannt, das Licht einer Laserquelle mittels eines Objektivs auf eine Probe fokussiert. Von der Probe kommendes Reflexions- oder Fluoreszenzlicht wird mittels eines Detektors detektiert. Das Laser-Scanning-Mikroskop weist einen Laserscanner zur Beleuchtung der Probe von einer Seite mit kohärentem Licht und einen Anregungsscanner zur Beleuchtung der Probe von einer gegenüberliegenden Seite. Der Detektor ist durch eine Abschirmung vor Licht des Anregungsscanners geschützt.
Vor einem Abtastvorgang können einzelne abzutastende Gebiete (engl. „regions of interest“; ROI) festgelegt werden. Um eine hohe räumliche Genauigkeit bei der Belichtung zu erreichen, darf der Laser während des Abtastvorgangs nur in den abzutastenden Gebieten ein- und muss im Übrigen ausgeschaltet sein. Dabei sollte das Laserlicht möglichst genau beim Eintritt in das abzutastende Gebiet eingeschaltet sein, aber nicht früher, um eine unnötige Belastung der Probe zu vermeiden. Besonders gilt dies für die generell nicht abzubildenden Randbereiche der Probe im Umkehrbereich des Laserstrahls, da in diesem Bereich die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls über die Probe am geringsten ist. Je nach Anwendung sind neben Ein- und Ausschaltvorgängen vom beziehungsweise zum Nullniveau auch Änderungen in der Strahlintensität zwischen zwei von Null verschiedenen Intensitätsniveaus erforderlich.
In 1 ist der beim Abtasten abgefahrene Weg des Laserstrahls für den Fall einer Abtastung über den maximalen Abbildungsbereich schematisch dargestellt. In der Umkehrphase außerhalb des maximalen Abbildungsbereichs wird die Laserstrahlung ausgeschaltet, um die Probe zu schonen. Zwei Schaltzeitpunkte sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt.
2 zeigt diese Schaltzyklen schematisch als Intensität des Laserstrahls auf der Probe in Abhängigkeit der Zeit. Beispielhaft dauert ein einzelner horizontaler Abtastzyklus, entsprechend einer Bildzeile, 200 µs. Die Umkehrphase in den Randbereichen dauert beispielhaft 30 µs. 3 zeigt die Schaltzyklen für den Fall eines abzutastenden Gebiets (ROI) der Probe. Ein einzelner horizontaler Abtastzyklus dauert wiederum 200 µs, weil die Abtastbewegung über den maximalen Abbildungsbereich erfolgt. Der Laser ist jedoch nur innerhalb eines schmalen Zeitfensters t_w eingeschaltet, dessen Breite von der Breite des abzutastenden Gebiets abhängt.
Im Stand der Technik wird die Lichtintensität eines Laserstrahls in einem LSM mit hoher Genauigkeit, aber kostenaufwendig, mittels eines akustooptischen Bauelements (AOM, AOTF) kontrolliert. Ein solches Bauelement weist bei Modulationsänderungen eine näherungsweise konstante Reaktionsverzögerung auf, die durch einen entsprechenden zeitlichen Vorhalt bei der Modulation kompensiert werden kann.
Erforderliche Kompensationen von elektrischen Parametern während des Betriebs einer Laserquelle, beispielsweise einer Laserdiode, sind ebenfalls bekannt. So ist der US 2005/0195869 A1 ein Schaltkreis zur Ansteuerung einer Laserdiode zu entnehmen. Der Schaltkreis umfasst eine Stromversorgung, eine erste und zweite Pseudo-Laserdiode sowie einen (Ausgangs-)Stromspiegel (output current mirror circuit). Ein Eingangsstrom der Stromversorgung wird als Ausgangsstrom über den Stromspiegel zur Laserdiode geführt. Indem die Charakteristika der ersten und zweiten Pseudo-Laserdiode der Charakteristik der Laserdiode gleichgesetzt werden, wird eine Nichtlinearität zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom kompensiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Scanning-Mikroskop, ein Steuerverfahren für ein solches und eine entsprechende Steuereinheit anzugeben, bei denen auf den Einsatz eines akustooptischen Bauelements zur Strahlmodulation verzichtet werden kann, wobei dennoch eine hohe räumliche Genauigkeit bei der Belichtung möglich sein soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Laser-Scanning-Mikroskop, welches die in Anspruch 17 angegebenen Merkmale aufweist, durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, sowie durch eine Ansteuerungseinheit, welche die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Bei der Erzeugung von Laserlicht mit variablen Intensitäten/Leistungen mittels einer Laserdiode kommt es bei Änderung der Intensität/Leistung zu einer Verzögerung (engl. „delay“) zwischen dem elektrischen Steuersignal und der optischen Antwort des Systems, die im Falle der Leistungs-/Intensitätserhöhung als Anstiegsverzögerung bezeichnet wird. Sie ist diejenige Zeit, die von der Erhöhung des elektrischen Steuersignals bis zum Erreichen von 50% der Intensitätsdifferenz zwischen Ausgangsintensität und Sollintensität verstreicht. Sie variiert in Abhängigkeit der zu erreichenden Sollintensität/-leistung des Laserlichts. Problematisch ist außerdem, dass bei Laserdioden neben der Anstiegsverzögerung auch die Anstiegszeit (engl. „rise time“), die als Zeitraum zwischen dem Erreichen von 10% und dem Erreichen von 90% der Intensitätsdifferenz definiert ist, abhängig von der zu erreichenden Sollintensität/-leistung des Laserlichts ist. Die Prozentanteile können auch abweichend definiert werden, wobei sich die Beträge der Anstiegszeiten beziehungsweise der Verzögerungszeiten entsprechend ändern.
4 illustriert die Variation (Schwankungsbreite) ΔΔt_V zwischen zwei beispielhaften extremen Anstiegsverzögerungen Δt_V1 und Δt_V2 . Zur besseren Übersicht sind alle Kurven auf identische Maxima normiert. Die gezeigten Kurven sind das elektrische Ansteuersignal A einer Laserdiode, beispielsweise die anliegende Modulationsspannung, sowie die typischerweise abgegebenen optischen Leistungen in Abhängigkeit der Zeit für eine extrem hohe Sollintensität/-leistung (Kurve P₁ ) und für eine extrem niedrige Sollintensität/-leistung (Kurve P2). Soll, ausgehend vom ausgeschalteten Zustand, eine hohe Sollintensität/-leistung (P₁ ) erreicht werden, ist die Anstiegsverzögerung Δt_V1 üblicherweise deutlich geringer als die Anstiegszeit bei einer niedrigen Sollintensität/-leistung (P₂ ). Ebenso ist die Anstiegszeit Δt_A1 bei hoher Sollintensität/-leistung (P₁ ) geringer als die Anstiegszeit Δt_A1 bei niedriger Sollintensität/-leistung (P₂ ).
In der Laser-Scanning-Mikroskopie sind Schwankungen in der Anstiegsverzögerung unerwünscht, weil sich daraus räumliche Ungenauigkeiten bei der Belichtung der Probe ergeben, sowohl bei der Beobachtung von reflektiertem Licht als auch bei der Anregung von Fluoreszenz. Die Verwendung einer herkömmlichen Laserdiode im Laser-Scanning-Mikroskop ist also nachteilig.
Gemäß der Erfindung ist für ein Laser-Scanning-Mikroskop vorgesehen, eine direkt modulierte Laserdiode, die bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuergröße eine von dem Betrag der Steuergröße abhängige Anstiegsverzögerung der Lichtintensität aufweist, mit einer elektrischen Ansteuerungseinheit einzusetzen, wobei die Ansteuerung derart ausgebildet ist, dass die Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerung kleiner als 1 µs, insbesondere kleiner als 0,5 µs, ist. Unter Schwankungsbreite wird dabei die Variation der intensitätsabhängig auftretenden Anstiegsverzögerungen, also die Differenz zwischen maximaler und minimaler auftretender Anstiegsverzögerung verstanden.
Durch die erfindungsgemäß geringe Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerung von weniger als 1 µs, insbesondere weniger als 0,5 µs, die in derselben Größenordnung wie die Anstiegszeit liegt, kann die Anstiegsverzögerung näherungsweise als konstant angenommen werden. Dadurch kann für eine Kompensation durch ein vorgezogenes elektrisches Signal mit geringem Aufwand ein konstanter Wert für die Anstiegsverzögerung angenommen und eingestellt werden. Durch eine solche Annahme einer konstanten Anstiegsverzögerung kann die Anstiegsverzögerung in bekannter Weise durch vorzeitige Abgabe des elektrischen Steuersignals in Art eines zeitlichen Vorhalts kompensiert werden. Die erzielbare Genauigkeit der Grenze, also die resultierende räumliche Schärfe, zwischen belichteten und unbelichteten Bereichen der Probe hängt dann im Wesentlichen nur noch von der Anstiegszeit ab. Das ermöglicht eine hohe räumliche Genauigkeit der Belichtung. Dadurch können akustooptische Modulatoren im LSM bei gleicher räumlicher Belichtungsgenauigkeit kostengünstig durch direkt modulierte Laserdioden ersetzt werden.
Vorzugsweise sind die Laserdiode und die Ansteuerungseinheit für die direkte Modulation mit geringer Schwankungsbreite der Anstiegszeit in einem Lasermodul angeordnet, das über eine Lichtleitfaser mit einem Abtastmodul („Scan-Modul“, „Scan-Kopf”, „Scan-Einheit“) verbindbar ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Stromquelle für die Laserdiode ebenfalls in dem Lasermodul angeordnet.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die Laserdiode mit einer optischen Leistungsregelung, beispielsweise über eine Monitordiode, versehen ist. Dadurch können eine hohe Stabilität und ein geringes Rauschen des Laserlichts erreicht werden, die mit herkömmlichen LSM-Lasern vergleichbar sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist für eine direkt modulierte Laserdiode eines Laser-Scanning-Mikroskops, die bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuergröße eine von dem Betrag der Steuergröße abhängige Anstiegsverzögerung der Lichtintensität aufweist, zum Erreichen einer nahezu konstanten Anstiegsverzögerung ein Steuerverfahren vorgesehen, bei dem, wenn identifiziert wird, dass eine mit der Laserdiode zu erzielende oder erzielte Intensität unter einen unteren Grenzwert fällt oder unter dem unteren Grenzwert liegt, zum einen die Laserdiode stromlosgeschaltet und ein elektrischer Zwischenstrom bereitgestellt wird, ohne dass dieser durch die Laserdiode fließt. Zum anderen wird, wenn identifiziert wird, dass die zu erzielende Intensität über einen oberen Grenzwert steigt, zunächst die Laserdiode mit dem bereitgestellten Zwischenstrom durchströmt und anschließend der Diodenstrom entsprechend der zu erzielenden Intensität eingestellt. Im Sinne der Erfindung kann anstelle der zu erzielenden oder erzielten Intensität eine zu erzielende beziehungsweise erzielte optische Leistung verwendet werden.
Dieser Erfindungsaspekt stellt einen möglichen Weg dar, eine minimale Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerung im Sinne des ersten Erfindungsaspekts und damit eine nahezu konstante Anstiegsverzögerung zu erreichen. Die Erfindung umfasst jedoch auch alle anderen Ansteuerungsweisen zum Bereitstellen einer Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerung von unter 1 µs, insbesondere unter 0,5 µs.
Durch die unmittelbare Bereitstellung des Zwischenstroms beginnt der Leistungs-/Intensitätsanstieg von einem definierten Niveau oberhalb des Aus-Zustandes, so dass die Anstiegszeit im Vergleich zu einem Beginn im Aus-Zustand verringert wird. Dadurch sinkt insbesondere auch die Schwankungsbreite der Anstiegszeit für alle Sollintensitäten/-leistungen. Die Erfindung ermöglicht so mit geringem elektronischem oder programmtechnischem Aufwand eine hohe zeitliche Genauigkeit der Belichtung. Dieses Verfahren wird nachfolgend und in den Patentansprüchen als Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung bezeichnet.
Entsprechend sind für eine Steuereinheit für eine mit einer Stromquelle verbundene, direkt modulierte Laserdiode eines Laser-Scanning-Mikroskops einerseits Mittel zum Identifizieren, dass eine mit der Laserdiode zu erzielende oder erzielte Intensität unter einen unteren Grenzwert fällt oder unter dem unteren Grenzwert liegt, und anschließendem Stromlosschalten der Laserdiode und anschließendem Bereitstellen eines elektrischen Zwischenstroms sowie andererseits Mittel zum Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität über einen oberen Grenzwert steigt, und anschließendem Durchströmen der Laserdiode mit dem bereitgestellten Zwischenstrom und daran anschließendem Einstellen des Diodenstroms entsprechend der zu erzielenden Intensität vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zum Stromlosschalten die Laserdiode kurzgeschlossen und zum Durchströmen der Kurzschluss aufgehoben. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, die Laserdiode in einen stromlosen Zustand zu schalten. Das Aufheben des Kurzschlusses ermöglicht das Durchströmen mit geringer Verzögerung.
Vorzugsweise wird in einer solchen Ausführungsform zum Bereitstellen des Zwischenstroms ein Ausgangsstrom einer Stromquelle begrenzt. Dadurch wird für den Zwischenstrom auf einfachem Wege und mit hoher Genauigkeit eine Stromregelung bereitgestellt. Ohne Begrenzung würde eine unabhängige Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode den aufgrund der Stromlosigkeit der Laserdiode vermeintlich zu geringen Ausgangsstrom auf das verfügbare Maximum anheben, um den Diodenstrom entsprechend der Sollleistung beziehungsweise auf den Solldiodenstrom einzuregeln. Die obere Begrenzung führt daher zu einem genau definierbaren, stabilen Zwischenstrom.
Zum Einstellen des Diodenstroms kann vorteilhafterweise die Strombegrenzung nach dem Durchströmen der Laserdiode aufgehoben werden. Da die Laserdiode zu diesem Zeitpunkt nicht mehr stromlos ist, wirkt die Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode wieder. Der Diodenstrom wird dadurch in kurzer Zeit wieder entsprechend der zu erzielenden Sollintensität/-leistung eingeregelt. Dabei wird eine minimale Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerungen unabhängig von der Höhe der zu erzielenden Sollintensität/-leistung erreicht.
Alternativ wird nach dem Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität den oberen Grenzwert übersteigt, und vor dem Durchströmen der Laserdiode zunächst die Strombegrenzung und damit die Stromregelung für den Zwischenstrom aufgehoben oder die Strombegrenzung auf einen mittleren oder maximal zulässigen Diodenstrom eingestellt, um eine Schädigung zu verhindern. Da die Laserdiode zu diesem Zeitpunkt noch kurzgeschlossen ist, bewirkt die Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode einen steilen Anstieg des Zwischenstroms auf eine mittlere Stromstärke oberhalb des Schwellstroms beziehungsweise über den für die zu erzielenden Sollintensität/-leistung erforderlichen Diodenstrom hinaus. Erst danach wird der Kurzschluss der Laserdiode aufgehoben. Der Diodenstrom wird durch eine Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode in kurzer Zeit wieder entsprechend zu erzielenden Sollintensität/-leistung eingeregelt. Dabei wird eine äußerst geringe Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerungen unabhängig von der Höhe der zu erzielenden Sollintensität/-leistung erreicht.
Vorteilhafterweise kann als Stromquelle ein Begrenzerverstärker verwendet werden. Dieser erlaubt die Strombegrenzung mit geringem Aufwand, sowohl für den Schwellstrom als auch für den mittleren oder maximal zulässigen Diodenstrom.
Zweckmäßigerweise wird die zu erzielende Intensität anhand einer Führungsgröße für eine Regelung der Laserdiode ermittelt, insbesondere anhand einer Modulationsspannung.
Sind oberer und unterer Grenzwert voneinander verschieden, so ergibt sich eine Schalthysterese. In anderen Ausprägungen können der untere Grenzwert und der obere Grenzwert vorteilhafterweise identisch sein. So ist nur eine Vergleichsoperation notwendig.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird für den Zwischenstrom mindestens die Schwellstromstärke der Laserdiode verwendet. Auf diese Weise kann eine unnötige Belastung der Probe durch eine unterhalb des Schwellstroms zunächst spontan emittierende Laserdiode vermieden werden, indem ausgehend von der Schwellstromstärke jedes zu erzielende Intensitäts/Leistungsniveau in kurzer Zeit erreicht wird, so dass die Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerungen gering ist. Ausgehend von einer in Bezug auf die zulässigen Diodenströme mittleren Stromstärke oberhalb der Schwellstromstärke wird unabhängig von der Sollleistung/-intensität eine minimale Anstiegsverzögerung der optischen Leistung erzielt, verbunden mit einer minimalen Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerungen. In anderen Ausgestaltungen kann für kurze Anstiegsverzögerungen der Zwischenstrom auf eine Stromstärke oberhalb einer der zu erzielenden Intensität/Leistung entsprechenden Stromstärke begrenzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zur Steuerung eines Lasers eines Laser-Scanning-Mikroskops während eines Abtastvorgangs vorgesehen, eine anstehende Erhöhung einer Ausgangsleistung oder -intensität des Lasers von einem Anfangs- auf einen Zielwert zu identifizieren und daraufhin zunächst eine Anstiegsverzögerung und/oder eine Anstiegszeit vom Beginn der Erhöhung bis zum Erreichen des Zielwerts zu prognostizieren. Anschließend wird ein Vorhaltzeitpunkt identifiziert, der um die ermittelte Verzögerungszeit vor einem Zielzeitpunkt liegt, an dem der Zielwert erreicht sein soll. Zu diesem Vorhaltzeitpunkt wird schließlich die Erhöhung begonnen. Dadurch erreicht der Laser seine Sollintensität/-leistung mit hoher zeitlicher Genauigkeit im Zielzeitpunkt beziehungsweise mit hoher räumlicher Genauigkeit am Rand des abzutastenden Bereichs. Die Prognose kann beispielsweise anhand von Kennfeldern (engl. „look-up tables“, LUT) erfolgen. Die Erfindung umfasst auch eine auf entsprechende Weise programmtechnisch eingerichtete Steuereinheit. Dieses Verfahren wird nachfolgend als Vorhalt-Optimierung bezeichnet.
Vorzugsweise werden die Anstiegsverzögerung und/oder die Anstiegszeit in Abhängigkeit des Zielwerts und/oder des Anfangswerts und/oder, im Falle einer direkt modulierten Laserdiode, in Abhängigkeit einer Stromlos-und-Zwischenstrom-Optimierung der Verzögerungszeit prognostiziert. Dies ermöglicht eine hohe Genauigkeit der Prognose.
Alle drei Aspekte der Erfindung können in sämtlichen Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere in Form von Computerprogrammen realisiert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:

1 den Abtastweg eines Laser-Scanning-Mikroskops (Stand der Technik, s. o.),
2 ein Schema der Schaltzyklen des Lasers in Form der Intensität des Laserstrahls auf der Probe in Abhängigkeit der Zeit (Stand der Technik, s. o.),
3 ein Schema der Schaltzyklen des Lasers bei Abtastung eines Probengebiets (Stand der Technik, s. o.),
4 die Schwankungen zwischen den Anstiegszeiten bei verschiedenen Sollintensitäten,
5 eine schematische Darstellung eines ersten Laser-Scanning-Mikroskops,
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Laser-Scanning-Mikroskops,
7 ein Flussdiagramm eines möglichen Steuerverfahrens für den Diodenlaser,
8 ein erstes Diagramm der elektrischen Größen des Diodenlasers gegen die Zeit und
9 ein zweites Diagramm der elektrischen Größen des Diodenlasers gegen die Zeit.

In allen Zeichnungen haben übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
In 5 ist ein Laser-Scanning-Mikroskop 1 schematisch dargestellt, bestehend aus einer Mikroskopeinheit M und eine Scaneinheit S, die eine gemeinsame optische Schnittstelle über eine Zwischenabbildung Z aufweisen. Die Scaneinheit S kann sowohl an den Phototubus eines aufrechten Mikroskops als auch an einen seitlichen Ausgang eines inversen Mikroskops angeschlossen werden. Die Mikroskopeinheit M weist ein Objektiv 4 und eine Tubuslinse 9 zum Beobachten einer Probe 5 auf.
Die Scaneinheit S enthält eine direkt modulierte Laserdiode 10 als einzige Lichtquelle, eine Kollimationsoptik 11, ein Scanning-Objektiv 22, einen Scanner 23, einen Hauptstrahlteiler 24 und eine Abbildungsoptik 25 für die Detektion. Die Laserdiode 10 weist aufgrund einer erfindungsgemäßen Ansteuerungseinheit 12 eine Schwankungsbreite der Anstiegszeiten von weniger als 1 µs auf. Die Ansteuerungseinheit 12 umfasst neben Mitteln für eine Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung einen Regelkreis für die optische Leistung der Laserdiode 10. Mittels eines teildurchlässigen Spiegels 18 wird ein Überwachungsstrahlengang in Richtung einer Monitordiode 19, der ein Neutralfilter 20 vorgeordnet ist, ausgeblendet. Ein Umlenkspiegel 27 hinter der Abbildungsoptik 25 spiegelt die von der Probe 5 kommende Strahlung in Richtung der senkrecht zur optischen Achse verstellbaren und in ihrem Durchmesser veränderbaren Lochblende 29, der ein Emissionsfilter 30 und ein geeignetes Empfängerelement 31, beispielsweise ein Sekundärelektronenvervielfacher (engl. „photo multiplier“; PMT), nachgeordnet sind.
In der Scaneinheit S ist eine zentrale Steuereinheit 34 angeordnet, welche mit lokalen Ansteuerungseinheiten 12, 35 und 38 für die Laserdiode 10, die Monitordiode 19 beziehungsweise die verstellbare Lochblende 29 verbunden ist. Die Laserdiode 10 ist über die Ansteuerungseinheit 12 mit einer Stromquelle 13 in Form eines Begrenzerverstärkers verbunden. Die Laserdiode 10 kann von Ansteuerungseinheit 12 kurzgeschlossen werden. Zudem kann die Ansteuerungseinheit 12 den Ausgangsstrom I_Q der Stromquelle 13 einstellbar begrenzen.
6 zeigt ein weitgehend übereinstimmendes, zweites LSM 1, wobei die Laserdiode 10 mit ihrer Ansteuerungseinheit 12 und ihrer Stromquelle 13 in einem separaten Lasermodul L angeordnet ist. Die Laserdiode 10 ist über eine Einkoppeloptik 33, eine Lichtleitfaser 14, eine Kollimationsoptik 16 und einen Umlenkspiegel 17 mit dem Strahlengang der Scaneinheit S verbunden. Die Steuereinheit 34 ist in diesem Ausführungsbeispiel extern angeordnet.
In 7 ist das von der Ansteuerungseinheit 12 wiederholt durchgeführte Verfahren zur Steuerung der Laserdiode 10 während einer Abtastung der Probe 5 mittels Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung in Form eines Flussdiagramms wiedergegeben. Das dargestellte Verfahren kann mit der Vorhalt-Optimierung, die von der übergeordneten Steuereinheit 34 durchgeführt werden muss, kombiniert werden.
8 zeigt schematisch die elektrischen Größen Modulationsspannung U_Mod(t), optische Leistung P_Opt(t) und Ausgangsstrom I_Q(t) der Stromquelle 13 über der Zeit t, wie sie sich für einen einzelnen Einschaltvorgang aus der Durchführung der erfindungsgemäßen Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung ergeben. Eingezeichnet ist auch der Verlauf der optischen Leistung P_Opt'(t) ohne Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung.
Zum Zeitpunkt t=0 beträgt die Führungsgröße U_Mod beispielhaft 2 mV und liegt damit unterhalb eines beispielhaften unteren Grenzwerts U₁=150 mV und unterhalb eines ebenso beispielhaften oberen Grenzwerts U₂=200mV (beide Grenzwerte der Übersicht halber nicht eingezeichnet). Die Laserdiode 10 ist kurzgeschlossen und daher stromlos, I_D(0)=0 A, obwohl aus der Stromquelle 13 bereits ein Zwischenstrom in der Höhe der Schwellstromstärke I_S fließt. Die Laserdiode 10 gibt daher keine optische Leistung ab, P_Opt(0)=0 W. Der Zwischenstrom wird von der Ansteuerungseinheit 12 durch Begrenzung des Ausgangsstroms I_Q der Stromquelle 13 zunächst stromgeregelt bereitgestellt, da die Leistungsregelung der Laserdiode 10, die innerhalb der Ansteuerungseinheit 12 angeordnet ist, versucht, durch Erhöhen des Ausgangsstroms I_Q der Stromquelle 13 einen Diodenstrom I_D entsprechend der Führungsgröße U_Mod zu erreichen. Die Steuereinheit 34 ermittelt nun beispielsweise, dass ab dem Zeitpunkt t3 die Probe 5 mit einer Sollleistung P_Soll bestrahlt werden soll. Sie erstellt daraufhin eine Prognose über die zu erwartende Anstiegsverzögerung Δt_V zwischen dem durch das entsprechende Erhöhen der Führungsgröße U_Mod gekennzeichneten Beginn der Erhöhung und dem tatsächlichen Erreichen von 50 % der Sollleistung P_Soll . Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Ansteuerung wie nachfolgend beschrieben ist die Schwankungsbreite ΔΔt_V aller möglichen Anstiegsverzögerungen nahezu Null, die Anstiegsverzögerung also unabhängig von der Sollleistung P_Soll näherungsweise konstant. Dadurch kann die Prognose schnell und zeitlich genau erfolgen. Die Steuereinheit 34 bestimmt daher den Zeitpunkt t₁=t₃-Δt_V als Vorhaltzeitpunkt für den Beginn der Erhöhung. Zum Zeitpunkt t₁ beginnt die Steuereinheit 34 die Erhöhung, indem sie die Führungsgröße U_Mod auf den zur Sollleistung P_Soll korrespondierenden Sollwert U_Soll setzt. Die Ansteuerungseinheit 12 stellt das Übersteigen des oberen Grenzwerts U₂ fest und reagiert darauf, indem sie die Strombegrenzung der Stromquelle 13 aufhebt. Der Ausgangsstrom I_Q wird daraufhin von der Leistungsregelung der Laserdiode 10 bestimmt. Diese kann den Ausgangsstrom I_Q nun ohne Begrenzung anheben. Wenn der Ausgangsstrom I_Q eine mit der Sollleistung P_Soll korrespondierenden Stromstärke um beispielhafte 20 % überschritten hat, hebt die Ansteuerungseinheit 12 den Kurzschluss über der Laserdiode 10 auf. Daraufhin bewirkt die Leistungsregelung der Laserdiode 10 einen Rückgang des Ausgangsstroms I_Q und des nun identischen Diodenstroms I_D auf die mit der Sollleistung P_Soll korrespondierende Stromstärke. Durch das hohe Zwischenniveau des Diodenstroms I_D wird die optische Sollleistung P_Soll in minimaler Anstiegsverzögerung (und unabhängig von der Sollleistung P_Soll mit minimaler Schwankungsbreite der Anstiegsverzögerung) erreicht, P_Opt(t≥t₃)=P_Soll .
In alternativen Ausgestaltungen kann die von der Steuereinheit 34 durchgeführte Vorhalt-Optimierung ohne die von der Ansteuerungseinheit 12 durchgeführte Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung verwendet werden. Dadurch ergeben sich im Durchschnitt größere Anstiegsverzögerungen Δt_V=t₄-t₁ und eine größere Schwankungsbreite ΔΔt_V der Anstiegszeiten Δt_V.
In weiteren alternativen Ausgestaltungen kann die Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung der Ansteuerungseinheit 12 ohne die Vorhalt-Optimierung der Steuereinheit 34 verwendet werden.
9 zeigt schematisch die elektrischen Größen Modulationsspannung U_Mod(t), optische Leistung P_Opt(t) und Ausgangsstrom I_Q(t) der Stromquelle 13 über der Zeit t für eine alternative Ausführungsform der Stromlos-Strombegrenzungs-Optimierung, in der die Ansteuerungseinheit 12, nachdem sie das Übersteigen des oberen Grenzwerts U2 festgestellt hat, zuerst den Kurzschluss der Laserdiode 10 aufhebt, so dass diese vom Zwischenstrom durchströmt wird, und erst danach die Strombegrenzung der Stromquelle 13 aufhebt. Der Ausgangsstrom I_Q wird daraufhin von der Leistungsregelung der Laserdiode 10 bestimmt. Diese hebt den Ausgangsstrom I_Q in kurzer Zeit und mit minimaler Schwankungsbreite der Anstiegszeit auf die mit der Sollleistung P_Soll korrespondierende Stromstärke an.
Bezugszeichenliste

1: Laser-Scanning-Mikroskop
4: Objektiv
5: Probe
9: Tubuslinse
10: Laserdiode
11: Kollimationsoptik
12: Ansteuerungseinheit für Laserdiode 10
13: Stromquelle
16: Kollimationsoptik
17: Umlenkspiegel
18: Teildurchlässiger Spiegel
19: Monitordiode
20: Neutralfilter
22: Scanning-Objektiv
23: Scanner
24: Hauptstrahlteiler
25: Abbildungsoptik
27: Umlenkprisma
29: Lochblende
30: Emissionsfilter
31: Empfängerelement
34: Zentrale Steuereinheit
35: Ansteuerungseinheit für Monitordiode 19
38: Ansteuerungseinheit für Lochblende 29
M: Mikroskopeinheit
S: Scaneinheit
U_Mod: Modulationsspannung
U_Soll: Sollwert für Modulationsspannung
P_Opt('), P₁, P₂: Optische Leistung
P_Soll: Sollwert für optische Leistung
I_Q: Ausgangsstrom
I_S: Schwellstrom
t: Zeit
t_i: Zeitpunkte
A: Ansteuersignal
Δt_A(1,2): Anstiegszeit
Δt_V(1,2): Anstiegsverzögerung
ΔΔt_V: Variation der Anstiegsverzögerung

Claims

Verfahren zur Steuerung einer direkt modulierten Laserdiode (10) eines Laser-Scanning-Mikroskops (1), die bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuergröße eine von dem Betrag der Steuergröße abhängige Anstiegsverzögerung der Lichtintensität aufweist, während eines Abtastvorgangs, wobei folgende Schritte durchgeführt werden: a) Identifizieren, dass eine mit der Laserdiode (10) zu erzielende oder erzielte Intensität unter einen unteren Grenzwert fällt oder unter dem unteren Grenzwert liegt, b) Stromlosschalten der Laserdiode (10), c) Bereitstellen eines elektrischen Zwischenstroms, d) Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität über einen oberen Grenzwert steigt, e) Durchströmen der Laserdiode (10) mit dem Zwischenstrom und f) Einstellen des Diodenstroms entsprechend der zu erzielenden Intensität, wobei zum Stromlosschalten die Laserdiode (10) kurzgeschlossen wird und zum Durchströmen der Kurzschluss aufgehoben wird, zum Bereitstellen des elektrischen Stroms ein Ausgangsstrom einer Stromquelle (13) auf die Stärke des Zwischenstroms begrenzt wird und wobei nach dem Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität den oberen Grenzwert übersteigt, und vor dem Durchströmen der Laserdiode (10) die Strombegrenzung aufgehoben oder auf einen Maximalstrom der Laserdiode (10) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Einstellen des Diodenstroms die Strombegrenzung aufgehoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Aufheben der Strombegrenzung und vor dem Durchströmen der Laserdiode (10) der Zwischenstrom mittels einer Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode (10) auf eine Stromstärke oberhalb einer der zu erzielenden Intensität entsprechenden Stromstärke erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Einstellen des Diodenstroms mittels einer Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zu erzielende Intensität anhand einer Führungsgröße für eine Regelung der Laserdiode (10) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für den bereitgestellten Zwischenstrom mindestens eine Schwellstromstärke (Is) der Laserdiode (10) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der untere Grenzwert und der obere Grenzwert identisch sind.
Ansteuerungseinheit (12) für eine mit einer Stromquelle verbundene, direkt modulierte Laserdiode (10) eines Laser-Scanning-Mikroskops (1), die bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuergröße eine von dem Betrag der Steuergröße abhängige Anstiegsverzögerung der Lichtintensität aufweist, gekennzeichnet durch - Mittel zum Identifizieren, dass eine mit der Laserdiode (10) zu erzielende oder erzielte Intensität unter einen unteren Grenzwert fällt oder unter dem unteren Grenzwert liegt, und anschließendem Stromlosschalten der Laserdiode (10) und anschließendem Bereitstellen eines elektrischen Zwischenstroms, wobei die Mittel zum Bereitstellen des Zwischenstroms eine begrenzbare Stromquelle (13) umfassen sowie - Mittel zum Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität über einen oberen Grenzwert steigt, und anschließendem Durchströmen der Laserdiode (10) mit dem bereitgestellten Zwischenstrom und daran anschließendem Einstellen des Diodenstroms entsprechend der zu erzielenden Intensität und Erhöhungsmittel für den Zwischenstrom, die nach dem Identifizieren, dass die zu erzielende Intensität den oberen Grenzwert übersteigt, und vor dem Durchströmen der Laserdiode (10) die Strombegrenzung aufheben oder auf einen Maximalstrom der Laserdiode (10) einstellen.
Ansteuerungseinheit (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als elektrische und/oder elektronische Überwachungsschaltung ausgebildet sind, die einem Strom- oder Leistungs-Regelkreis der Laserdiode (10) vorgeschaltet ist.
Ansteuerungseinheit (12) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Stromlosschalten Mittel zum Kurzschließen der Laserdiode (10) umfassen, wobei die Mittel zum Durchströmen Mittel zum Aufheben des Kurzschlusses umfassen.
Ansteuerungseinheit (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (13) einen Begrenzerverstärker umfasst.
Ansteuerungseinheit (12) nach Anspruch 8 oder 11, wobei die Mittel zum Einstellen des Diodenstroms Mittel zum Aufheben der Strombegrenzung umfassen.
Ansteuerungseinheit (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strom- oder Leistungsregelung der Laserdiode (10) den Zwischenstrom nach dem Aufheben der Strombegrenzung und vor dem Durchströmen der Laserdiode (10) auf eine Stromstärke oberhalb einer der zu erzielenden Intensität entsprechenden Stromstärke erhöht.
Ansteuerungseinheit (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Identifizieren der zu erzielenden Intensität Mittel zum Ermitteln einer Führungsgröße für eine Regelung der Laserdiode (10) umfassen.
Ansteuerungseinheit (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitgestellte Zwischenstrom mindestens eine Stärke eines Schwellstroms (Is) der Laserdiode (10) aufweist.
Ansteuerungseinheit (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, angeordnet in einem Lasermodul (L) für ein Laser-Scanning-Mikroskop (1), wobei das Lasermodul (L) eine direkt modulierte Laserdiode (10) und eine Stromquelle (13) für die Laserdiode (10) aufweist.
Laser-Scanning-Mikroskop (1), aufweisend eine direkt modulierte Laserdiode (10), die bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Steuergröße eine von dem Betrag der Steuergröße abhängige Anstiegsverzögerung der Lichtintensität aufweist, mit einer elektrischen Ansteuerungseinheit (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 16 für die direkte Modulation, wobei die Ansteuerungseinheit (12) derart ausgebildet ist, dass die Schwankungsbreite (ΔΔt_V) der auftretenden Anstiegsverzögerungen (Δt_V) kleiner als 1 µs ist.
Laser-Scanning-Mikroskop (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (10) und die Ansteuerungseinheit (12) in einem Lasermodul (L) angeordnet sind.
Laser-Scanning-Mikroskop (1) nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode (10) mit einer optischen Leistungsregelung versehen ist.