DE102015108383A1 - Multichromator device, lighting device, imaging device and corresponding method - Google Patents
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Abstract
Es werden eine insbesondere miniaturisierbare Multichromatorvorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung sowie eine bildgebende Vorrichtung und entsprechende Verfahren bereitgestellt. Die Multichromatorvorrichtung kann ein erstes dispersives Element umfassen, welches eingerichtet ist, Licht in einer ersten Richtung spektral aufzuspalten. Dieses spektral aufgespaltene Licht fällt auf einen Lichtmodulator (20) mit einer Vielzahl von Lichtmodulatorelementen (21), beispielsweise Mikrospiegel. Die Lichtmodulatorelemente (21) werden in einer ersten Richtung (22) angesteuert, um einen gewünschten Spektralbereich auszuwählen, und in einer zweiten Richtung (23) angesteuert, um eine Intensität für einen jeweiligen Spektralbereich zu bestimmen.A particularly miniaturizable multichromator device, a lighting device and an imaging device and corresponding methods are provided. The multichromator device may include a first dispersive element configured to spectrally split light in a first direction. This spectrally split light is incident on a light modulator (20) with a plurality of light modulator elements (21), for example micromirrors. The light modulator elements (21) are driven in a first direction (22) to select a desired spectral range and in a second direction (23) to determine an intensity for a respective spectral range.
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Multichromatorvorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Multichromatorvorrichtung, eine bildgebende Vorrichtung wie beispielsweise eine Mikroskopvorrichtung mit einer derartigen Multichromatorvorrichtung sowie entsprechende Verfahren. Unter einer Multichromatorvorrichtung ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, mit welchen eine spektrale Verteilung eines eingehenden Lichtstrahls selektiv verändert werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung derartige Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Multichromatorvorrichtung bzw. die Beleuchtungsvorrichtung verglichen mit herkömmlichen Vorrichtungen miniaturisiert ist und/oder ohne makroskopisch bewegte Teile bzw. Komponenten auskommt.The present application relates to a multichromator device, a lighting device having a multichromator device, an imaging device such as a microscope device having such a multichromator device, and corresponding methods. A multichromator device is to be understood as meaning a device with which a spectral distribution of an incoming light beam can be selectively changed. In particular, the present application relates to such devices and methods in which the multichromator device or the illumination device is miniaturized compared to conventional devices and / or manages without macroscopically moving parts or components.
Bei verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, eine spektral einstellbare Beleuchtung zu realisieren, d.h. eine im Wesentlichen beliebige Spektralverteilung in einem Beleuchtungsstrahl zu realisieren. Eine derartige spektral selektive Beleuchtung kann beispielsweise in der Mikroskopie, beispielsweise in der Materialmikroskopie oder bei einem Laser-Scanning-Mikroskop, wünschenswert sein. Auch in der Operationsmikroskopie oder anderen bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik, einschließlich Verfahren während der Operation, kann eine derartige einstellbare Beleuchtung wünschenswert sein.In various applications, it is desirable to realize a spectrally adjustable illumination, i. to realize a substantially arbitrary spectral distribution in an illumination beam. Such spectrally selective illumination may be desirable, for example, in microscopy, for example in material microscopy or in a laser scanning microscope. Also in surgical microscopy or other medical imaging techniques, including procedures during surgery, such adjustable illumination may be desirable.
Aus der
Eine ähnliche Anordnung ist aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine vorzugsweise miniaturisierbare Multichromatorvorrichtung, eine entsprechende Beleuchtungsvorrichtung, eine Bildgebungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, womit eine Selektion beliebiger Spektralverteilungen und bevorzugt zugleich eine beliebige Intensitätsselektion ermöglicht wird. Spektrale und Intensitätsmodulation können bspw. mit Videorate oder auch schneller verändert werden.It is therefore an object of the present application to provide a preferably miniaturizable multichromator device, a corresponding illumination device, an imaging arrangement as well as a corresponding method, whereby a selection of arbitrary spectral distributions and preferably at the same time an arbitrary intensity selection is made possible. Spectral and intensity modulation can be changed, for example, with video rate or faster.
Diesbezüglich wird eine Multichromatorvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 24 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele sowie eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer entsprechenden Multichromatorvorrichtung und eine bildgebende Vorrichtung mit einer entsprechenden Beleuchtungsvorrichtung.In this regard, a multichromator device according to
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Multichromatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend:
eine Dispersionsanordnung, welche eingerichtet ist, einen eingehenden Lichtstrahl in einer ersten Richtung spektral aufzuspalten, um einen aufgespaltenen Strahl zu erzeugen,
einen Lichtmodulator mit einer Vielzahl von Lichtmodulatorelementen, wobei die Lichtmodulatorelemente in der ersten Richtung zur Auswahl eines oder mehrerer Spektralbereiche ansteuerbar sind,
wobei die Dispersionsanordnung weiter eingerichtet ist, Licht von dem Lichtmodulator spektral zu einem Beleuchtungsstrahl zu vereinigen.According to a first aspect, there is provided a multi-chromator device comprising:
a dispersion device configured to spectrally split an incoming light beam in a first direction to produce a split beam,
a light modulator having a multiplicity of light modulator elements, wherein the light modulator elements can be driven in the first direction for selecting one or more spectral ranges,
wherein the dispersion assembly is further configured to spectrally combine light from the light modulator to form an illumination beam.
Bevorzugt ist der Lichtmodulator ein zweidimensionaler Lichtmodulator, bei dem die Vielzahl von Lichtmodulatorelementen in der ersten Richtung und in einer zweiten Richtung angeordnet sind, wobei die Lichtmodulatorelemente in der zweiten Richtung zum Einstellen einer Intensität für einen jeweiligen Spektralbereich ansteuerbar sind. Preferably, the light modulator is a two-dimensional light modulator in which the plurality of light modulator elements are arranged in the first direction and in a second direction, wherein the light modulator elements in the second direction are controllable for setting an intensity for a respective spectral range.
Durch einen derartigen zweidimensionalen Lichtmodulator kann somit für verschiedene Spektralanteile eine gewünschte Intensität auf einfache Weise eingestellt werden.By means of such a two-dimensional light modulator, a desired intensity can thus be set in a simple manner for different spectral components.
Der Lichtmodulator kann dabei eine Mikrospiegelanordnung umfassen, wobei die Lichtmodulatorelemente Mikrospiegel umfassen können. The light modulator may comprise a micromirror arrangement, wherein the light modulator elements may comprise micromirrors.
Die Dispersionsanordnung kann ein erstes dispersives Element, welches eingerichtet ist, den eingehenden Lichtstrahl in der ersten Richtung spektral aufzuspalten, um den aufgespaltenen Strahl zu erzeugen, und ein zweites dispersives Element, welches eingerichtet ist, das Licht (
Das erste dispersive Element und das zweite dispersive Element können einstückig ausgebildet sein, insbesondere monolithisch integriert sein. The first dispersive element and the second dispersive element may be integrally formed, in particular monolithically integrated.
Eine einstückige Implementierung des ersten dispersiven Elements und des zweiten dispersiven Elements kann u.a. Herstellungskosten verringern, insbesondere da Justage-Spezifikationen zwischen dem ersten und dem zweiten dispersiven Element intrinsisch erfüllt sind. Des Weiteren verringern sich die Herstellungskosten bei derartigen Ausführungsbeispielen, da Replikationskosten für ein monolithisches Doppelgitter etwa die Hälfte der Replikationskosten für zwei einzelne Gitter betragen.An integral implementation of the first dispersive element and the second dispersive element may be i.a. Reduce manufacturing costs, in particular because adjustment specifications are intrinsically fulfilled between the first and the second dispersive element. Furthermore, manufacturing costs are reduced in such embodiments because replication costs for a monolithic double lattice are about half the replication cost for two individual lattices.
Die Lichtmodulatoranordnung kann eingerichtet sein, eine Einfallsebene des zweiten dispersiven Elements gegenüber einer Einfallsebene des ersten dispersiven Elements zu verdrehen. The light modulator arrangement may be configured to rotate an incidence plane of the second dispersive element with respect to an incidence plane of the first dispersive element.
Das zweite dispersive Element kann gegenüber dem ersten dispersiven Element verdreht sein. The second dispersive element may be twisted relative to the first dispersive element.
Die Dispersionsanordnung kann auch ein (einziges) dispersives Element, welches eingerichtet ist, den eingehenden Lichtstrahl in der ersten Richtung spektral aufzuspalten, um den aufgespaltenen Strahl zu erzeugen und das Licht von dem Lichtmodulator spektral zu dem Beleuchtungsstrahl zu vereinigen, und eine Polarisationsanordnung (
Bei einem derartigen Aufbau ist nur ein einziges dispersives Element nötig.Such a construction requires only a single dispersive element.
Dabei kann die Polarisationsanordnung eine zwischen dem dispersiven Element und dem Lichtmodulator angeordnete lambda/4-Platte und einen Polarisationsstrahlteiler umfassen.In this case, the polarization arrangement may comprise a lambda / 4 plate arranged between the dispersive element and the light modulator and a polarization beam splitter.
Die oben erwähnten dispersiven Elemente können abbildende dispersive Elemente, und/oder Gitter, insbesondere holografische Gitter wie konkave aberrationskorrigierte holografische Gitter, z.B. so genannte Carl-Gitter, oder auch Volumengitter umfassen.The above-mentioned dispersive elements may include imaging dispersive elements, and / or gratings, in particular holographic gratings such as concave aberration-corrected holographic gratings, e.g. so-called Carl grid, or volume grids include.
Durch die Verwendung von abbildenden dispersiven Elementen ist eine kompakte Bauweise möglich. Durch die Verwendung von konkaven aberrationskorrigierten Gittern, z.B. Carl-Gittern ist ein besonders hoher Lichtdurchsatz bei gleichzeitig hervorragenden Abbildungseigenschaften und damit hoher spektraler Auflösung möglich.By using imaging dispersive elements a compact design is possible. By using concave aberration corrected gratings, e.g. Carl-Gittern is a particularly high light throughput with excellent imaging properties and thus high spectral resolution possible.
Die Multichromatorvorrichtung kann weiter einen Eingangsspalt vor der Dispersionsanordnung und einen Ausgangsspalt nach der Dispersionsanordnung umfassen. The multichromator device may further comprise an entrance slit in front of the dispersion assembly and an exit slit after the dispersion arrangement.
Die Dispersionsanordnung, z.b. die oben erwähnten dispersiven Elemente wie Gitter, kann Justagemarken umfassen.The dispersion arrangement, e.g. The above-mentioned dispersive elements such as gratings may include alignment marks.
Beispielsweise können hohe Justagespezifikationen für einstückige / monolithische Gitter, insbesondere für ein Originalgitter, das als Vorlage für weitere Gitter in der Herstellung dient, durch spezielle Justagemarken sichergestellt werden, welche mittels direktem Laserstrahlschreiben (DWL) auf dem Originalgitter aufgebracht werden und einen „mix & match“ zwischen DWL- und holographischer Technologie erlauben.For example, high adjustment specifications for one-piece / monolithic grids, in particular for an original grating, which serves as a template for further grids in the production, can be ensured by special alignment marks, which are applied by direct laser beam writing (DWL) on the original grid and a "mix & match "Allow between DWL and holographic technology.
Diese Justagemarken können zur Ausrichtung weiterer optischer Elemente des miniaturisierten Multichromators Verwendung finden, insbesondere des Lichtmodulators oder des Eingangsspaltes oder des Ausgangsspaltes bzw. der Faserenden bei Verwendung von Lichtwellenleitern.These adjustment marks can be used to align further optical elements of the miniaturized multichromator, in particular the light modulator or the input gap or the output gap or the fiber ends when using optical waveguides.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend:
eine Lichtquelle, und
eine Multichromatorvorrichtung wie oben beschrieben, welche eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle zu empfangen. According to a second aspect, there is provided a lighting device comprising:
a light source, and
a multichromator device as described above configured to receive light from the light source.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiter eine Steuerung zum Ansteuern des Lichtmodulators der Multichromatorvorrichtung zum Auswählen eines gewünschten Spektralanteils von Licht der Lichtquelle umfassen. The illumination device may further comprise a controller for driving the light modulator of the multichromator device to select a desired spectral component of light of the light source.
Die Lichtquelle kann eine Breitbandlichtquelle, welche beispielsweise einen gesamten interessierenden Spektralbereich abdeckt, umfassen. The light source may comprise a broadband light source covering, for example, an entire spectral range of interest.
Gemäß einem dritten Aspekt wird eine bildgebende Vorrichtung bereitgestellt, umfassend:
eine Beleuchtungsvorrichtung wie oben beschrieben zum Beleuchten einer Probe, und
eine Bildaufnahmevorrichtung zum Aufnehmen von der Probe in Antwort auf die Beleuchtung ausgehendem Licht. According to a third aspect, there is provided an imaging device comprising:
a lighting device as described above for illuminating a sample, and
an image pickup device for picking up light emitted from the sample in response to the illumination.
Die Bildaufnahmevorrichtung kann eine Mikroskopeinrichtung umfassen. The image pickup device may comprise a microscope device.
Die Bildaufnahmevorrichtung kann eine Kameraeinrichtung umfassen. The image capture device may include a camera device.
Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:
Beleuchten eines Lichtmodulators mit in erster Richtung spektral aufgespaltenen Lichts, Ansteuern des Lichtmodulators in einer ersten Richtung zur Auswahl von Spektralbereichen und optional auch in einer zweiten Richtung zur Einstellung einer Intensität für jeweilige Spektralbereiche, und
Zusammenführen von Licht von dem Lichtmodulator zu einem Beleuchtungsstrahl. According to a fourth aspect, there is provided a method comprising:
Illuminating a light modulator with spectrally split light in the first direction, activating the light modulator in a first direction for selecting spectral ranges and optionally also in a second direction for setting an intensity for respective spectral ranges, and
Merging light from the light modulator into an illumination beam.
Das Verfahren kann mittels einer der oben beschriebenen Vorrichtungen durchgeführt werden. The method can be carried out by means of one of the devices described above.
Ausführungsbeispiele eignen sich insbesondere zur Durchführung eines spektralen Scannens (Staring), bei welchem beispielsweise eine Kamera nacheinander räumlich zweidimensionale Bilder eines Gebiets aufnimmt, wobei dieses Gebiet bei den Aufnahmen mit verschiedenen Spektren, beispielsweise spezifischen Spektralverteilungen oder verschiedenen Spektralfarben, beleuchtet wird, und entsprechend streut. Die spezifischen Spektralverteilungen können insbesondere angepasste (z.B. für eine bestimmte Probe oder Probenart angepasste) Spektralverteilungen sein, die hinsichtlich Wellenlängen und der den jeweiligen Wellenlängen zugeordneten Intensität eingestellt werden können.Embodiments are particularly suitable for performing a spectral scanning (staring), in which, for example, a camera consecutively takes spatially two-dimensional images of an area, this area is illuminated in the recordings with different spectra, such as specific spectral distributions or different spectral colors, and scatters accordingly. Specifically, the specific spectral distributions may be adapted (e.g., for a particular sample or sample type) spectral distributions that can be tuned for wavelengths and the intensity associated with the particular wavelengths.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Hereinafter, various embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen oder Elementen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale oder Elemente zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale oder Elemente und/oder alternative Merkmale oder Elemente aufweisen. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be explained with reference to the accompanying drawings. These embodiments are merely illustrative and are not to be construed as limiting. In particular, a description of an embodiment having a plurality of features or elements is not to be construed as requiring all of these features or elements for implementation. Rather, other embodiments may have fewer features or elements and / or alternative features or elements.
Zudem können Merkmale oder Elemente verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. In addition, features or elements of various embodiments may be combined with each other unless otherwise specified.
Verschiedene Ausführungsbeispiele umfassen zweidimensionale Lichtmodulatoren. Hierunter ist ein räumlicher Lichtmodulator zu verstehen, welcher in zumindest zwei Dimensionen (Raumrichtungen) beispielsweise durch Schalten einzelner Elemente auf ihn treffendes Licht räumlich modulieren kann.Various embodiments include two-dimensional light modulators. This is to be understood as a spatial light modulator which can spatially modulate light striking it in at least two dimensions (spatial directions), for example by switching individual elements.
In
Der Lichtstrahl
Das erste dispersive Element
Der Lichtmodulator
Dies wird nunmehr unter Bezugnahme auf
Somit entspricht beispielsweise jede Spalte der Mikrospiegelanordnung einem bestimmten Wellenlängenbereich. Somit kann durch variable Ansteuerung des Lichtmodulators
Zu bemerken ist, dass die Richtungen in
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann Licht, welches nicht von der Lichtmodulatorvorrichtung
In
Während das Verfahren der
In Schritt
In Schritt
In Schritt
In
Das Ausführungsbeispiel der
Licht von der Lichtquelle
Die Gitter
Diese Justagemarken können zur Ausrichtung weiterer optischer Elemente des Multichromators Verwendung finden, insbesondere des Lichtmodulators oder des Eingangsspaltes oder des Ausgangsspaltes.These adjustment marks can be used to align further optical elements of the multichromator, in particular the light modulator or the input gap or the output gap.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann optional vor der Mikrospiegelanordnung
Beispielsweise kann wie dargestellt eine Doppelmonochromatokonfiguration mit zwei Gittern verwendet werden, wobei mittels der Mikrospiegelanordnung
Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die
In
Die
In
In
In
Licht von einer Quelle
Zwischen dem Gitter
Das Licht wird dann von dem Gitter
Auf diese Weise kann ein Aufbau mit nur einem Gitter realisiert werden.In this way, a structure with only one grid can be realized.
In
Ein Beleuchtungsstrahl
Dabei kann bei manchen Anwendungen ein Differenzbild zwischen aufgenommenen Bildern mit bspw. zwei verschiedenen angepassten Spektralverteilungen verwendet werden. Bei anderen Ausführungsbeispiel, z.B. bei der Fluoreszenzfarbstoffdetektion, können auch mehr Bilder mit mehr unterschiedlichen Spektralverteilungen, z.B. 4 bis 6 Bilder (oder mehr) benutzt werden. In vielen Anwendungen, wo herkömmlicherweise z.B. Farbfilter-Räder zur Anwendung kamen, typischerweise also z.B. 4 bis 6 (selten auch mehr) Farbfilter zur Anregung von Fluoreszenzfarbstoffen, ist der Ersatz dieser Farbfilter durch einen einfacheren und kleineren Multichromator wie oben beschrieben ohne bewegte makroskopische Teile vorteilhaft,. Hierbei wird eine deutlich schnellere Variation zwischen den verschiedenen Spektralbereichen ermöglicht, was für sämtliche Fluoreszenzanalysen bspw. in allen Multiwell-Analysen wichtig ist. Zudem ist bei der herkömmlichen Herangehensweise der Nachweis unterschiedlicher über verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe gelabelter Bestandteile häufig dadurch begrenzt, dass die einzelnen Anregungsspektren der Fluoreszenzfarbstoffe stark überlappen. Bereits das schnelle spektrale Scannen mit hoher Auflösung, in Verbindung mit intelligenter bspw. multivarianter Datenanalyse bietet die Möglichkeit einer Signaldetektion mit deutlich höherem Informationsgehalt.In some applications, a difference image between recorded images with, for example, two different adapted spectral distributions can be used. In other embodiments, e.g. in fluorescence dye detection, more images with more different spectral distributions, e.g. 4 to 6 pictures (or more) can be used. In many applications where conventionally e.g. Color filter wheels have been used, typically e.g. 4 to 6 (rarely more) color filter for the excitation of fluorescent dyes, the replacement of these color filters by a simpler and smaller multichromator as described above without moving macroscopic parts is advantageous. This allows a much faster variation between the different spectral ranges, which is important for all fluorescence analyzes, for example, in all multi-well analyzes. Moreover, in the conventional approach, the detection of different components labeled by different fluorescent dyes is often limited by the fact that the individual excitation spectra of the fluorescent dyes overlap strongly. Already the fast spectral scanning with high resolution, in connection with intelligent eg multivariant data analysis offers the possibility of a signal detection with clearly higher information content.
Die Anregung mit jeweils optimierten Anregungsspektren erlaubt schließlich ein besonders hohes Signal-Rausch-Verhältnis durch eine optimierte Kreuzkorrelation zwischen spektraler Verteilung des Anregungslichtes und detektiertem emittierten Licht.Finally, the excitation with respectively optimized excitation spectra allows a particularly high signal-to-noise ratio by an optimized cross-correlation between the spectral distribution of the excitation light and the detected emitted light.
Durch die Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung wie hier beschrieben, insbesondere des dargestellten Multichromators, können sich dabei folgende Vorteile ergeben:
- – Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben die Erzeugung einer nahezu beliebigen Spektralverteilung abhängig von dem von einer Lichtquelle bereitgestellten Licht und erlaubt damit beispielsweise in Verbindung mit einem ortsauflösenden Sensorsystem wie einer Kamera für ein bestimmtes Spektrum die Aufnahme eines insbesondere zweidimensionalen Gesamtbildes zu einem einzigen Zeitpunkt. Bei dem bestimmten Spektrum kann es sich hierbei sowohl um einen nahezu monochromatischen Bereich oder um einen Spektralbereich endlicher Breite oder auch um die Kombination einer nahezu beliebigen Anzahl an Spektralbereichen nahezu beliebiger Bandbreite handeln, begrenzt durch die Verteilung der Lichtquelle und der Auflösung der Lichtmodulatoranordnung, beispielsweise Mikrospiegelanordnung. Eine spektrale Vorselektion kann hierbei besonders auf hoch aufgelöste Einzelbereiche erfolgen. Dabei kann jedem örtlich identifizierbaren Flächenelement δ(x, y) auf einer untersuchten Probenoberfläche in den aufgenommenen Daten ein Spektrum mit Intensität pro Wellenlänge λ bzw. δλ oder je Wellenlängenbereich zugeordnet werden.
- – Des Weiteren erlaubt das dargestellte optische Design eine Miniaturisierung des Multichromators insbesondere auch durch die Verwendung abbildender dispersiver Elemente. Eine Größe des Multichromators kann dabei beispielsweise
im Bereich 10 × 10Zentimeter oder 1 × 1 Zentimeter liegen, kann jedoch je nach Anwendung auch darüber oder darunter liegen. - – Mit einer Multichromatorvorrichtung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen, die in einem Beleuchtungsstrahlengang wie z.B. in
8 gezeigt angeordnet sind, können insbesondere Nachteile herkömmlicher Hyperspektralkameras ausgeglichen werden, da bei einer solchen Anordnung lediglich ein ortsaufgelöstes Sensorsystem, beispielsweise eine entsprechende Kamera, bereitgestellt werden muss, während die Auswahl der Spektraleigenschaften durch eine entsprechende Modifikation des Beleuchtungslichts durch die Multichromatorvorrichtung erfolgt. - – Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können verschiedene Spektralbereiche mit gewünschten Intensitäten innerhalb sehr kurzer Schaltzeiten (im Wesentlichen beschränkt durch die Schaltzeiten der Mikrospiegelanordnung) angesteuert und ausgewertet werden, beispielsweise mit einer üblichen Videorate mit beispielsweise 25 Bildern pro Sekunde (fps, vom Englischen „Frame per Second“), 30 fps, 50 fps oder 60 fps, auch wenn bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Raten verwendet werden können.
- – Je nach verwendeten Lichtquellen, dispersiven Elementen wie beispielsweise Gittern und Detektoren können die dargestellten Ausführungsbeispiele im Wesentlichen für beliebige Spektralbereiche benutzt werden.
- – Die dargestellten Techniken erlauben insbesondere eine zeitlich hoch aufgelöste Hyperspektralanalyse, wobei räumliche, zeitliche und spektrale Auflösung unabhängig voneinander optimiert werden können, da insbesondere für die spektrale Auflösung mit der dargestellten Multichromatorvorrichtung eine separate Einheit bereitgestellt ist, welche von andere Komponenten im Wesentlichen unabhängig arbeitet.
- – Zudem beinhalten Ausführungsbeispiele der Erfindung keine makroskopisch mechanisch bewegten Teile, sondern allenfalls die beweglichen Mikrospiegel, welche beispielsweise als mikroelektromechanisches System (MEMS) implementiert sein können. Somit weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vergleichsweise geringen Verschleiß auf.
- – Bei entsprechender Ansteuerung einer Kamera können auch Messungen mit hohem Dynamikbereich (HDR; vom Englischen „High Dynamic Range“) durchgeführt werden.
- Embodiments of the invention allow the generation of an almost arbitrary spectral distribution as a function of the light provided by a light source and thus, for example, in conjunction with a spatially resolving sensor system such as a camera for a certain spectrum the inclusion of a particular two-dimensional overall picture at a single time. The particular spectrum may be either an almost monochromatic region or a spectral range of finite width or even the combination of almost any number of spectral regions of virtually any bandwidth, limited by the distribution of the light source and the resolution of the light modulator arrangement, for example micromirror arrangement , A spectral preselection can be done here especially on high-resolution individual areas. In this case, each spatially identifiable surface element δ (x, y) on a sample surface being examined can be assigned a spectrum with intensity per wavelength λ or δλ or per wavelength range in the recorded data.
- Furthermore, the illustrated optical design allows a miniaturization of the multichromator, in particular also by the use of imaging dispersive elements. A size of the multichromator may be, for example, in the
range 10 × 10 centimeters or 1 × 1 centimeter, but may also be higher or lower depending on the application. - With a multichromator device according to the described exemplary embodiments, which in an illumination beam path such as in
8th In particular, disadvantages of conventional hyperspectral cameras can be compensated, since in such an arrangement only a spatially resolved sensor system, for example a corresponding camera, must be provided, while the selection of the spectral properties is effected by a corresponding modification of the illumination light by the multichromator device. - In various embodiments, different spectral ranges with desired intensities can be controlled and evaluated within very short switching times (essentially limited by the switching times of the micromirror arrangement), for example with a conventional video rate with, for example, 25 frames per second (fps, from the English "frame per second"). ), 30 fps, 50 fps or 60 fps, although other rates may be used in other embodiments.
- Depending on the light sources used, dispersive elements such as gratings and detectors, the illustrated embodiments can be used essentially for arbitrary spectral ranges.
- In particular, the illustrated techniques allow high-resolution hyperspectral analysis, wherein spatial, temporal and spectral resolution can be optimized independently of each other, since in particular for the spectral resolution with the multichromator device shown, a separate unit is provided which operates essentially independently of other components.
- In addition, embodiments of the invention do not include macroscopically mechanically moving parts, but at most the movable micromirrors, which may be implemented, for example, as a microelectromechanical system (MEMS). Thus, embodiments of the present invention have comparatively little wear.
- - With the appropriate control of a camera also measurements with high dynamic range (HDR, from English "High Dynamic Range") can be carried out.
Somit können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere der folgenden wirtschaftlichen und/oder konzeptionellen Vorteile bieten: geringe Systemkosten, beispielsweise durch minimalen Montage- und minimalen Justageaufwand, eine modulare Kombination diverser photometrischer Anforderungen bezüglich beispielsweise spektraler Bandbreiten, oder Auflösungen, was kurze Reaktionszeiten auf geänderte Bedürfnisse ermöglicht, einen geringeren Bauraum, was neben einem geringeren Volumen auch eine geringere Masse bedeutet und/oder einen vergleichsweise geringen Energieeintrag in eine Probe, da die spektrale Beleuchtung den spezifischen Anforderungen genau angepasst werden kann. Somit bieten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen. Der Bereich der vorliegenden Anmeldung ist jedoch nicht auf die spezielle dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern diese dienen lediglich der Veranschaulichung. Thus, embodiments of the present invention may provide one or more of the following economic and / or conceptual benefits: low system cost, such as minimal assembly and minimal adjustment effort, a modular combination of various photometric requirements for spectral bandwidths, for example, or resolutions, resulting in short reaction times to changed ones Needs allows a smaller space, which in addition to a smaller volume also means less mass and / or a relatively low energy input into a sample, since the spectral illumination can be adapted to the specific requirements exactly. Thus, embodiments of the present invention offer significant advantages over conventional solutions. However, the scope of the present application is not limited to the specific embodiments shown, but these are merely illustrative.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10241472 A1 [0003] DE 10241472 A1 [0003]
- DE 19835072 A1 [0004] DE 19835072 A1 [0004]
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