DE102020116802A1

DE102020116802A1 - Strahlungsübermittlungseinrichtung für Mikroskop-Systeme

Info

Publication number: DE102020116802A1
Application number: DE102020116802.0A
Authority: DE
Inventors: David Cooper
Original assignee: Andor Technology Ltd
Current assignee: Andor Technology Ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2020-12-31
Also published as: GB2585072A; JP2021006902A; US11644657B2; GB201909288D0; US20200409133A1; GB2585072B

Abstract

Eine Laserstrahlübermittlungseinrichtung für ein Mikroskop umfasst einen ersten und einen zweiten optischen Diffusor, die dazu konfiguriert sind, sich in einer periodischen Weise mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz zu bewegen. Jeder optische Diffusor kann eine sich drehende Scheibe umfassen. Das Laserlicht wird räumlich randomisiert durch den ersten sich drehenden Diffusor und sein räumliches Muster wird weiter randomisiert durch den zweiten Diffusor. Der zweite Diffusor verhindert, dass sich ein räumliches Muster nach einer Umdrehung des ersten Diffusors wiederholt, was die Bildung von Schwebemustern verhindert, wenn das Licht durch eine sich drehende konfokale Linse abgebildet wird, und in anderen Fällen die Gleichmäßigkeit vergrößert.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Strahlungsübermittlungseinrichtung, insbesondere, aber nicht exklusiv zur Verwendung mit Mikroskop-Systemen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Strahlungsübermittlungseinrichtung, welche eine optische Multimode-Faser umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Die Verwendung von Laserlicht als Beleuchtungsquelle in der Fluoreszenzmikroskopie liefert eine sehr viel größere Helligkeit als andere Beleuchtungsquellen. Traditionell wird eine optische Singlemode-Faser verwendet, um Laserlicht zum Mikroskop zu übermitteln, aber die resultierende Gauß-Form der Mode liefert entweder deutlich weniger Licht an den Rändern des Bildes oder erfordert es, einen signifikanten Teil des Lichts zu verwerfen, indem nur der gleichmäßigere mittlere Teil der Gaußverteilung verwendet wird.
Es ist bekannt, eine optische Multimode-Faser zur Lichtübermittlung in einem Mikroskop-System zu verwenden, um eine gleichmäßige Lichtintensität über ein Bild hinweg zu liefern. Ein Problem bei der Verwendung von Multimode-Fasern ist es, dass die Moden die durch die Faser unterstützt werden, kohärente Interferenz liefern können, aufgrund der hohen Kohärenz der Lichtquelle. Dies führt zu einem Specklemuster in dem Bild, was eine kleine räumliche Variation in dem Bild erzeugt, auch wenn die Gesamt-Einhüllende der Beleuchtung flach ist.
Eine bekannte Lösung für dieses Problem ist es, einen Exzentermotor bereitzustellen, um die optische Faser zum Schwingen zu bringen, was das Licht von der Faser homogenisiert und dabei hilft, gleichmäßige Bilder zu erlangen. Diese Gestaltung erfordert es, dass die Faser mehrere Male um den Exzentermotor herumgewickelt wird, um hinreichende Schwingungen sicherzustellen, was Platz einnimmt und an dem Mikroskop-System eine Vibration erzeugt. Im Ergebnis hat diese Lösung zwei Hauptnachteile darin, dass sie relativ groß ist und deutliche Schwingungen erzeugt. Dies ist insbesondere ein Problem bei integrierten Bildgebungssystemen, bei denen eine kompakte Größe benötigt wird und es schwierig ist, die Vibration von dem Bildgebungssystem zu isolieren, bei dem normalerweise eine Präzision im Nanometerbereich erforderlich ist. Eine Alternative besteht darin, Multimode-Laser zu verwenden, die einen Grad von Zufälligkeit in dem Licht induzieren, so dass kein Exzentermotor zur Schwingung benötigt wird. Jedoch wird eine Einschränkung der Gestaltung des Mikroskops auf Multimode-Laserdioden als zu einschränkend im Hinblick auf Wellenlänge, Leistung und Kosten betrachtet.
Es wäre also wünschenswert, die oben skizzierten Probleme zu lindern.
Überblick über die Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung stellt eine Strahlungsübermittlungseinrichtung bereit, welche umfasst:

einen Strahleingang,
einen Strahlausgang und
ein Strahlübermittlungsmittel, das dazu konfiguriert ist, einen Strahl von dem Strahleingang zu dem Strahlausgang entlang eines optischen Pfads zu übermitteln,
wobei das Strahlübermittlungsmittel umfasst:
- ein erstes optisches Homogenisierungsmittel und
- ein zweites optisches Homogenisierungsmittel,
- und wobei das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel dazu konfiguriert sind, sich in einer periodischen Weise mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz zu bewegen.

Bevorzugt umfasst das erste optische Homogenisierungsmittel einen ersten optischen Diffusor, welcher den optischen Pfad schneidet und in Bezug auf diesen bewegbar ist. Der erste optische Diffusor kann optisch durchlässig sein. Alternativ ist der erste optische Diffusor optisch reflektierend.
Bevorzugt umfasst das zweite optische Homogenisierungsmittel einen zweiten optischen Diffusor, welcher den optischen Pfad schneidet und in Bezug auf diesen bewegbar ist. Der zweite optische Diffusor kann optisch durchlässig sein. Alternativ ist der zweite optische Diffusor optisch reflektierend.
In bevorzugten Ausführungsformen sind entweder eines oder beide von dem ersten optischen Homogenisierungsmittel und dem zweiten optischen Homogenisierungsmittel in Bezug auf den optischen Pfad drehbar. Bevorzugt sind dann, wenn jedes drehbar ist, das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel mit einer jeweils unterschiedlichen Geschwindigkeit drehbar.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen sind der erste und der zweite optische Diffusor drehbar, und sie werden im Betrieb mit einer jeweils voneinander unterschiedlichen Geschwindigkeit gedreht.
Typischerweise sind der erste und der zweite optische Diffusor in dem optischen Pfad so angeordnet, dass der Strahl im Betrieb von dem ersten optischen Diffusor zu dem zweiten optischen Diffusor läuft.
Typischerweise umfasst der Strahlausgang eine optische Ausgangsfaser, bevorzugt eine optische Multimode-Faser, und wobei das Strahlübermittlungsmittel dazu konfiguriert ist, den Strahl in ein Eintrittsende der optischen Ausgangsfaser zu lenken. Das Strahlübermittlungsmittel kann dazu konfiguriert sein, den Strahl von dem zweiten optischen Diffusor zu der optischen Ausgangsfaser zu lenken, bevorzugt durch freien Raum. Die Ausgangsfaser kann einen optischen Koppler an einem Eintrittsende der Ausgangsfaser aufweisen, wobei der optische Koppler bevorzugt dazu konfiguriert ist, den Strahl vom freien Raum zu empfangen und den Strahl in das Eintrittsende der Ausgangsfaser zu lenken. Der optische Koppler kann wenigstens ein optisches Element umfassen, um den Strahl zu verkleinern (zu ent-vergrößern). Der optische Koppler kann wenigstens ein optisches Element umfassen, wobei das optische Element dazu geeignet ist, den Strahl in das Eintrittsende der Ausgangsfaser zu fokussieren.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst der Strahleingang eine optische Eingangsfaser, bevorzugt eine optische Multimode-Faser, und wobei das Strahlübermittlungsmittel dazu konfiguriert ist, den Strahl von einem Austrittsende der optischen Eingangsfaser zu dem ersten optischen Homogenisierungsmittel zu lenken. Das Strahlübermittlungsmittel kann dazu konfiguriert sein, den Strahl von der optischen Eingangsfaser zu dem ersten optischen Diffusor zu lenken, bevorzugt durch freien Raum.
Ein optischer Koppler kann an einem Austrittsende der Eingangsfaser vorgesehen sein, wobei der optische Koppler bevorzugt dazu konfiguriert ist, den Strahl von dem Austrittsende der Eingangsfaser zu empfangen und den Strahl in freien Raum zu emittieren. Der optische Koppler kann wenigstens ein optisches Element zum Vergrößern des Strahls umfassen. Der optische Koppler kann wenigstens ein optisches Element zum Fokussieren oder Abbilden des Strahls auf das erste optische Homogenisierungsmittel umfassen.
In einigen Ausführungsbeispielen umfasst das zweite optische Homogenisierungsmittel ein Mittel, um die Ausgangsfaser in einer periodischen Weise zu bewegen, bevorzugt in einer sich hin und her bewegenden Weise.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die jeweilige periodische Bewegung von dem ersten und zweiten optischen Homogenisierungsmittel dazu konfiguriert, dass ein räumliches Querschnittmuster des Strahls am Strahlausgang nach irgend einer Periode desjenigen von dem ersten und zweiten Homogenisierungsmittel mit der höheren Frequenz im Wesentlichen unkorreliert mit dem räumlichen Querschnittmuster des Strahls an dem Strahlausgang nach der vorherigen Periode desjenigen von dem ersten und zweiten Homogenisierungsmittel mit der höheren Frequenz ist.
Bevorzugt ist das erste optische Homogenisierungsmittel bewegbar, um ein räumliches Querschnittmuster des Strahls zu modifizieren, und wobei das zweite optische Homogenisierungsmittel bewegbar ist, um das räumliche Querschnittmuster des Strahls weiter zu modifizieren.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung stellt diese ein Mikroskop-System bereit, welches ein Strahlungsquellen-Modul, ein Mikroskop-Modul und eine Strahlungsübermittlungseinrichtung des ersten Aspekts umfasst, wobei die Strahlungsübermittlungseinrichtung dazu konfiguriert ist, den Strahl von dem Strahlungsquellen-Modul zu dem Mikroskop-Modul zu übermitteln.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung stellt diese ein Verfahren zum Homogenisieren eines Strahls bereit, wobei das Verfahren umfasst:

Lenken des Strahls zu einem ersten optischen Homogenisierungsmittel,
Lenken des Strahls von dem ersten optischen Homogenisierungsmittel zu einem zweiten optischen Homogenisierungsmittel, und
Bewegen des ersten optischen Homogenisierungsmittels und des zweiten optischen Homogenisierungsmittels in einer periodischen Weise mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz.

Das bevorzugte Verfahren umfasst ein Modifizieren eines räumlichen Querschnittmusters des Strahls durch Bewegen des ersten optischen Homogenisierungsmittels und ein weiteres Modifizieren des räumlichen Querschnittmusters des Strahls durch Bewegen des zweiten optischen Hom ogenisierungsm ittels.
Ein anderer Aspekt der Erfindung stellt eine Einrichtung zum Homogenisieren eines Strahls bereit, wobei die Einrichtung umfasst: Mittel zum Lenken des Strahls zu einem ersten optischen Homogenisierungsmittel, Mittel zum Lenken des Strahls von dem ersten optischen Homogenisierungsmittel zu einem zweiten optischen Homogenisierungsmittel, Mittel zum Bewegen des ersten optischen Homogenisierungsmittels in einer periodischen Weise, Mittel zum Bewegen auch des zweiten optischen Homogenisierungsmittels in einer periodischen Weise, wobei die Bewegungsmittel dazu konfiguriert sind, das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz zu bewegen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird Laserlicht von einer Multimode-Faser räumlich durch einen ersten sich drehenden Diffusor oder einen Homogenisator räumlich randomisiert und in eine zweite Multimode-Faser eingekoppelt. Ein zweites Diffusormittel oder Homogenisierungsmittel kann verwendet werden, um das räumliche Muster, insbesondere das räumliche Querschnittmuster des Laserstrahls/Strahls weiter zu randomisieren. Das zweite Diffusormittel verhindert es, dass sich irgend ein räumliches Muster nach einer Umdrehung oder einer Periode des ersten Diffusors wiederholt, was Schwebungsmuster daran hindert, sich zu bilden, wenn Licht durch eine sich drehende konfokale Scheibe abgebildet wird, und in anderen Fällen die Gleichförmigkeit vergrößert. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das zweite Diffusormittel ein zweiter sich drehender Diffusor, der mit einer anderen Geschwindigkeit läuft als der erste. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das zweite Diffusormittel eine Einrichtung, welche die zweite Faser physisch bewegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele stellen keine Einschränkung für die Kohärenz der Laserquelle dar und liefern eine exzellente Gleichförmigkeit bei reduzierter Vibration und reduziertem Platzbedarf.
Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung werden den Fachleuten bei Betrachtung der folgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren deutlich.
Figurenliste
Ausführungsformen der Findung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben, bei denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile zu bezeichnen, und bei denen:

1 ein Blockdiagramm eines Mikroskop-Systems ist, welches einen Aspekt der Erfindung verkörpert und eine Strahlungsübermittlungseinrichtung umfasst, die einen anderen Aspekt der Erfindung verkörpert.
2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Strahlungsquellen-Moduls, welches Teil des Mikroskop-Systems aus 1 ist.
3 ist ein schematisches Diagramm eines ersten beispielhaften optischen Kopplers,
4 ist ein schematisches Diagramm eines zweiten beispielhaften optischen Kopplers,
5 ist ein schematisches Diagramm eines rotierenden Diffusors, und
6 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Mikroskop-Systems, welches einen Aspekt der Erfindung verkörpert, umfassend eine alternative Strahlungsübermittlungseinrichtung, die einen anderen Aspekt der Erfindung verkörpert.

Detaillierte Beschreibung der Figuren
Unter Bezugnahme auf 1 der Figuren wird nun ein optisches Mikroskop-System gezeigt, welches einen Aspekt der Erfindung verkörpert und im Allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. Das Mikroskop-System 10 umfasst ein Strahlungsquellen-Modul 12, eine Strahlungsübermittlungseinrichtung 14 und ein Mikroskop-Modul 16. Das Mikroskop-System 10 ist dazu konfiguriert, dass ein Strahl 18, der durch das Strahlungsquellen-Modul 12 emittiert wurde, an das Mikroskop 16 übermittelt wird, durch die Strahlungsübermittlungseinrichtung 14. Die Strahlungsübermittlungseinrichtung 14 ist dazu konfiguriert, den Strahl 18 von einem Strahleingang zu einem Strahlausgang entlang eines optischen Pfads zu übermitteln. Insbesondere umfasst die Strahlungsübermittlungseinrichtung 14 ein Strahlübermittlungsmittel, um den Strahl 18 zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu übermitteln, wobei das Strahlübermittlungsmittel ein erstes und ein zweites optisches Homogenisierungsmittel umfasst, wie genauer nachfolgend beschrieben wird.
2 zeigt ein Beispiel eines typischen Strahlungsquellen-Moduls 12. Das Strahlungsquellen-Modul 12 umfasst eine oder mehrere Strahlungsquellen 20 zum Erzeugen und Emittieren von Strahlung. In typischen Ausführungsbeispielen ist die Strahlung Licht, insbesondere Licht im ultravioletten (UV), sichtbaren oder NIR (Nah-Infrarot) Frequenzband. In bevorzugten Ausführungsbeispielen kann das Strahlungsquellen-Modul 12 daher als Lichtquellen-Modul beschrieben werden, welches eine oder mehrere Lichtquellen 20 umfasst. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Licht Laserlicht, und jede Lichtquelle 20 umfasst eine Lasereinrichtung. Jedoch kann jede Strahlungsquelle jede Quelle umfassen, die dazu in der Lage ist, Strahlung zu erzeugen und zu emittieren, einschließlich aber nicht beschränkt auf Licht emittierende Dioden (LEDs), Laserdioden, Festkörpereinrichtungen, Superlumineszenzdioden (SLDS) oder Bogenlampen. Jede Strahlungsquelle 20 ist dazu konfiguriert, Strahlung oder Licht mit einer oder mehreren Wellenlängen zu erzeugen und zu emittieren. Im Beispiel von 2 sind zwei Lasereinrichtungen 20 gezeigt, aber es ist klar, dass es in alternativen Ausführungsbeispielen eine einzige Strahlungsquelle oder mehr als zwei Strahlungsquellen geben kann. Jede Lasereinrichtung 20 kann eine Singlemode-Lasereinrichtung oder eine Multimode-Lasereinrichtung sein. In bevorzugten Ausführungsbeispielen emittiert das Strahlungsquellen-Modul 12 Licht, insbesondere Laserlicht mit verschiedenen Wellenlängen, d.h. das Strahlungsquellen-Modul 12 kann eine Quelle für Multiwellenlängen-Strahlung oder Laserstrahlung umfassen. Wie illustriert, kann dies erreicht werden, indem das Modul 12 mit verschiedenen Strahlungsquellen 20 ausgestattet wird, die jeweils Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen oder in unterschiedlichen Frequenzbändern erzeugen. Alternativ kann das Strahlungsquellen-Modul 12 Strahlung bei einer einzigen Wellenlänge emittieren. In bevorzugten Ausführungsbeispielen, in welchen das Strahlungsquellen-Modul 12 eine oder mehrere Lasereinrichtungen 20 umfasst, umfasst der resultierende Strahl 18 kohärentes Laserlicht.
Optional umfasst das Strahlungsquellen-Modul 12 eine Einheit 22 zur Strahlungssteuerung und Konditionierung, um die Querschnittsform oder/und Abmessungen des Strahls 18 zu manipulieren, der von dem Modul 12 emittiert wird. In Ausführungsbeispielen, bei denen es mehr als eine Strahlungsquelle 20 gibt, kann die Einheit zur Steuerung und Konditionierung 22 eine jeweilige (nicht gezeigte) Untereinheit zur Steuerung und Konditionierung für jede Strahlungsquelle 20 umfassen. Die Einheit zur Steuerung und Konditionierung 22 (oder jede von ihren Untereinheiten je nach Anwendung) kann ein optisches Element oder einer Kombination von optischen Elementen (nicht gezeigt) umfassen, um den Strahl 18 in jeder gewünschten konventionellen Weise zu steuern und zu konditionieren. Beispielsweise kann die Einheit zur Steuerung und Konditionierung 22 (oder jede ihrer Untereinheiten, je nachdem) einen Galileo-Teleskop-Strahlaufweiter oder anamorphotische prismatische oder zylindrische Optiken, oder/und jedes andere konventionelle Strahlformungsmittel oder/und einen akustisch-optischen einstellbaren Filter (AOTF) oder einen mechanischen Shutter umfassen.
In Ausführungsbeispielen, in welchen das Strahlungsquellen-Modul 12 mehr als eine Strahlungsquelle 20 hat, kann diese eine Lichtkombiniereinheit 24 umfassen, welche ein oder mehrere optische Elemente umfasst, die in konventioneller Weise angeordnet sind, um die jeweiligen Strahlen von jeder Strahlungsquelle 20 zu kombinieren, um den Ausgangsstrahl 18 zu erzeugen. Die Lichtkombiniereinheit 24 kann beispielsweise einen oder mehrere Spiegel oder/und Strahlteiler oder/und dichroitische Strahlkombinierer umfassen. Im illustrierten Ausführungsbeispiel befindet sich die Lichtkombiniereinheit 24 nach der Lichtkonditioniereinheit 22, so dass das Licht von den Laserquellen 20 konditioniert wird, bevor es kombiniert wird. In alternativen Ausführungsbeispielen (nicht dargestellt) befindet sich die Lichtkombiniereinheit 24 vor der Lichtkonditioniereinheit 22, so dass das Licht von den Laserquellen 20 kombiniert wird, bevor es konditioniert wird.
Das Lichtquellen-Modul 12 umfasst typischerweise einen optischen Koppler 26, durch welchen der Strahl 18 von dem Modul 12 emittiert wird. Der optische Koppler 26 umfasst ein oder mehrere optische Elemente (nicht gezeigt), um den Strahl 18 zu einer optischen Faser zu lenken. Typischerweise umfasst der optische Koppler 26 eine oder mehrere Linsen (beispielsweise eine Kollimatorlinse, eine Kondensorlinse oder/und ein Mikroobjektiv), um den Strahl 18 auf das Ende der optischen Faser zu fokussieren. Die Konfiguration kann derart sein, dass der optische Koppler 26 den Strahl 18 in freien Raum emittiert.
Unter Bezugnahme wieder auf 1 umfasst bei typischen Ausführungsbeispielen die Strahlungsübermittlungseinrichtung 14 eine optische Eingangsfaser 30 mit einem Eintrittsende 32 zum Empfangen des Strahls 18 von dem Strahlungsquellen-Modul 12. Das Eintrittsende 32 kann den Strahl 18 vom freien Raum empfangen. In bevorzugten Ausführungsformen ist der optische Koppler 26 dazu konfiguriert, den Strahl 18 auf das Eintrittsende 32 der Faser 30 zu fokussieren. Die jeweilige Querschnittsform und die Größe des Strahls 18 und des optischen Kerns der Faser 30 sind zueinander kompatibel, um es dem Strahl 18 zu ermöglichen, entlang der Faser 30 übertragen zu werden. Diese Kompatibilität kann wenigstens teilweise durch die Steuer- und Konditioniereinheit 22 erreicht werden. In alternativen Ausführungsbeispielen (nicht illustriert) kann die optische Eingangsfaser 30 weggelassen werden, wie nachfolgend genauer beschrieben.
Die Strahlungsübermittlungseinrichtung 14 umfasst weiter ein Ausgangsmittel, welches vorzugsweise eine optische Ausgangsfaser 34 mit einem Austrittsende 36 umfasst, von welchem der Strahl 18 zu dem Mikroskop-Modul 16 übermittelt wird. Das Austrittsende 36 kann den Strahl in freien Raum emittieren.
Die optischen Fasern 30, 34 können konventionell sein und typischerweise einen optisch transparenten Kern (nicht gezeigt) umfassen, um den Strahl 18 zu übertragen, wobei der Kern üblicherweise von einem transparenten Verkleidungsmaterial (nicht gezeigt) mit einem niedrigen Brechungsindex als der Kern umgeben ist. Kern und Verkleidung können aus jedem geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise Glas (Siliziumdioxid) oder Kunststoff. Die Fasern 30, 34 können als optische Wellenleiter beschrieben werden und können jede beliebige Form annehmen, beispielsweise den Typ, der als Lichtröhren bekannt ist, der einen optisch transparenten Kern (zum Beispiel gebildet aus Glas oder Kunststoff) umfasst aber keine Beschichtung aufweisen muss.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die optische Ausgangsfaser 34 eine optische Multimode-Faser. Es ist bevorzugt, dass die optische Eingangsfaser 30 eine optische Multimode-Faser ist, aber es kann sich alternativ um eine optische Singlemode-Faser handeln. Eine optische Multimode-Faser ist eine optische Faser, welche verschiedene Lichtausbreitungspfade oder Moden unterstützt. Die verschiedenen Lichtpfade oder Lichtmoden können zusammen über ein breites Spektrum von Wellenlängen unterstützt werden. Im Gegensatz dazu unterstützt eine optische Singlemode-Faser nur eine einzige Mode. Multimode-Fasern haben im Allgemeinen einen breiteren Kerndurchmesser (typischerweise 50-400 Mikrometer) als Singlemode-Fasern. Der Kerndurchmesser einer optischen Multimode-Faser ist größer als die Wellenlänge des Lichts, welches darin übertragen wird. Der Kern der Multimode-Fasern 30, 34 kann einen kreisförmigen Querschnitt haben, einen quadratischen Querschnitt, einen rechteckigen Querschnitt oder jeden anderen geeigneten Querschnitt.
Beispielsweise kann die Eingangsfaser 30 einen Kerndurchmesser von 50 µm und eine numerische Apertur (NA) von 0,12 aufweisen. Die Ausgangsfaser 34 kann einen Kerndurchmesser von 200 µm und eine numerische Apertur (NA) von 0,12 aufweisen. In typischen Ausführungsbeispielen ist der Kerndurchmesser der Eingangsfaser 30 kleiner als der Kerndurchmesser der Ausgangsfaser.
Optional können das Eintrittsende 32 der optischen Faser 30 und das Austrittsende 36 der optischen Faser 34 mit einem (nicht gezeigten) Eingangsverbindungselement bzw. einem (nicht gezeigten) Ausgangsverbindungselement ausgestattet oder mit diesem verbindbar sein.
Die Eingangs- und Ausgangsverbindungselemente können von jedem beliebigen geeigneten konventionellen Typ sein.
Das Mikroskop-Modul 16 kann einen beliebigen konventionellen Typ von Mikroskop (nicht gezeigt) umfassen, das einen Strahl erfordert, um eine Probe zu bestrahlen oder anzuregen. Beispielsweise kann das Mikroskop ein Weitfeldmikroskop, ein Konfokalmikroskop, beispielsweise ein Spinning-Disk-Konfokalmikroskop, oder ein anderes optisches Mikroskop sein. Das Mikroskop-Modul 16 kann konventionell sein und kann beliebige andere Komponenten umfassen, die für den Betrieb des Mikroskops erforderlich sind, wie es klar für den Fachmann ist. Das Mikroskop-Modul 16 umfasst typischerweise einen (nicht gezeigten) optischen Koppler, um den Strahl 18 vom Austrittsende 36 der optischen Faser 34 zu empfangen. Der optische Koppler kann jede beliebige konventionelle Anordnung von einer oder mehreren optischen Komponenten umfassen, wie es für die Anwendung geeignet ist. Beispielsweise kann der optische Koppler eines oder mehrere umfassen von: einer einzelnen Linse, mehreren Linsen, einem Spiegel, mehreren Spiegeln, oder eine beliebige Kombination von geeigneten optischen Elementen. In anderen Ausführungsformen (nicht gezeigt) kann die Strahlungsübermittlungseinrichtung 14 mit jedem anderen Endsystem gekoppelt sein, welches den Strahl 18 benötigt, beispielsweise mit einer Projektionsanzeige-Einrichtung.
Die Eingangsfaser 30 weist ein Austrittsende 33 auf, von welchem der Strahl 18 emittiert wird. Der Strahl 18 kann von dem Ende 33 in den freien Raum emittiert werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein optischer Koppler 40 am Austrittsende 33 der Eingangsfaser 30 bereitgestellt. Der optische Koppler 40 ist dazu konfiguriert, den Strahl 18 von dem Austrittsende 33 der Eingangsfaser 30 aufzunehmen und den Strahl 18 in den freien Raum zu emittieren.
Der optische Koppler 40 kann jeden beliebigen konventionellen Typ von Koppler einer optischen Faser zum freien Raum umfassen. Der optische Koppler 40 umfasst typischerweise eines oder mehrere optische Elemente (nicht gezeigt) das/die dazu angeordnet ist/sind, den Strahl 18 von der Faser 30 zu empfangen und ihn zu einem Ziel im freien Raum zu lenken. Optional umfasst der optische Koppler 40 einen Kollimator. Typischerweise umfasst der optische Koppler 40 ein oder mehrere optische Elemente zum Vergrößern des Strahls 18. Bevorzugt umfasst der optische Koppler ein oder mehrere optische Elemente, um den Strahl 18 auf das Ziel zu fokussieren oder abzubilden. Der optische Koppler 40 umfasst typischerweise eine oder mehrere Linsen, um eine einige oder alle der Aufgaben zu durchzuführen, die oben identifiziert wurden, soweit anwendbar. 3 illustriert eine beispielhafte Ausführungsform des optischen Kopplers 40, die eine Kollimatorlinse 41 und eine Linse 42 umfasst, um den Strahl 18 zu vergrößern und auf das Ziel im freien Raum zu fokussieren.
Die Ausgangsfaser 34 weist ein Eintrittsende 35 auf, um den Strahl 18 zu empfangen. Der Strahl 18 kann durch das Ende 35 aus dem freien Raum empfangen werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird ein optischer Koppler 44 an dem Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34 bereitgestellt. Der optische Koppler 44 ist dazu konfiguriert, den Strahl 18 aus dem freien Raum aufzunehmen und den Strahl 18 in das Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34 zu lenken. Der optische Koppler 44 kann einen beliebigen konventionellen Typ von Koppler vom freien Raum zur optischen Faser umfassen. Der optische Koppler 44 umfasst ein oder mehrere optische Elemente (nicht gezeigt), die dazu angeordnet sind, den Strahl 18 aus dem freien Raum zu empfangen und ihn in das Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34 zu lenken. Typischerweise umfasst der optische Koppler 44 ein oder mehrere optische Elemente zum Verkleinern (Ent-Vergrößern) des Strahls 18. Bevorzugt umfasst der optische Koppler 44 ein oder mehrere optische Elemente, um den Strahl 18 in das Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34 zu fokussieren. Der optische Koppler 44 umfasst typischerweise eine oder mehrere Linsen, um die erforderlichen Aufgaben auszuführen. 4 illustriert eine beispielhafte Ausführungsform des optischen Kopplers 44 mit einer Linse 46 zum Verkleinern (Ent-Vergrößern) und Fokussieren des Strahls 18 in das Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34.
In alternativen Ausführungsformen können der eine oder der andere oder beide von den Kopplern 40, 44 weggelassen werden. Wenn irgend einer der Koppler 40, 44 entfernt wird, kann sich das relevante Ende 33, 35 der entsprechenden Faser 30, 34 unmittelbar benachbart (zum Beispiel mit einem Abstand von 2 mm oder weniger) zu dem jeweiligen Diffusor 50, 60 befinden, und der Diffusor-Winkel ist auf die jeweilige Faser 30, 34 abgestimmt.
Die Strahlübermittlungseinrichtung 14 umfasst ein erstes optisches Homogenisierungsmittel in der bevorzugten Form eines ersten optischen Diffusors 50, der sich zwischen der Eingangsfaser 30 und der Ausgangsfaser 34 befindet. In bevorzugten Ausführungsformen befindet sich der erste optische Diffusor 50 zwischen den optischen Kopplern 40, 44. Die Anordnung ist derart, dass der Strahl 18 von der Eingangsfaser 30 zu der Ausgangsfaser 34 durch den ersten optischen Diffusor 50 übertragen wird. In bevorzugten Ausführungsformen ist der optische Koppler 40 dazu konfiguriert, den Strahl 18 auf den optischen Diffusor 50 zu lenken und bevorzugt dazu, den Strahl 18 auf den ersten optischen Diffusor 50 zu fokussieren. In bevorzugten Ausführungsformen ist der optische Koppler 40 dazu konfiguriert, den Strahl 18 auf den optischen Diffusor 50 abzubilden. Bevorzugt vergrößert der optische Koppler 40 den Strahl 18.
In alternativen Ausführungsformen (nicht illustriert) kann die optische Eingangsfaser 30 (und der Koppler 40) weggelassen werden, wobei in diesem Fall der Strahl 18 auf den optischen Diffusor 50 abgebildet oder in anderer Weise direkt von dem Strahlungsquellen-Modul 12 zu diesem gelenkt werden kann. Der optische Koppler 26 umfasst typischerweise ein oder mehrere optische Elemente (nicht gezeigt), die dazu angeordnet sind, den Strahl 18 von dem Modul 12 zu einem Ziel im freien Raum zu lenken. Optional umfasst der optische Koppler 26 einen Kollimator. Typischerweise umfasst der optische Koppler 26 ein oder mehrere optische Elemente zum Vergrößern des Strahls 18. Bevorzugt umfasst der optische Koppler 26 ein oder mehrere optische Elemente, um den Strahl 18 auf das Ziel zu fokussieren oder abzubilden. Der optische Koppler 26 umfasst typischerweise eine oder mehrere Linsen, um einige oder alle der oben identifizierten Aufgaben durchzuführen, soweit anwendbar. In solchen Ausführungsformen kann der optische Koppler 26 so sein, wie in 3 illustriert. Die Einrichtung 14 kann jedes geeignete Eingangsmittel umfassen, um den Strahl 18 von dem Strahlungsquellen-Modul 12 zu empfangen. Beispielsweise kann das Eingangsmittel einfach eine (nicht gezeigte) Apertur umfassen oder/und kann optional ein oder mehrere optische Elemente umfassen (etwa Linse(n)).
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der optische Koppler 44 dazu konfiguriert, den Strahl 18 zu empfangen und den Strahl 18 in das Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34 zu lenken. Typischerweise verkleinert (ent-vergrößert) der optische Koppler 44 den Strahl 18, um diesen an die numerische Apertur (NA) der Ausgangsfaser 34 anzupassen.
Zweckmäßigerweise sind die optischen Koppler 44, 40 zueinander auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet, so dass der Strahl 18 von dem Koppler 40 zu dem Koppler 44 entlang eines optischen Pfades verlaufen kann, der mit der gemeinsamen Achse zusammenfällt oder parallel zu dieser ist. Alternativ oder zusätzlich kann der optische Koppler 40 eine oder mehrere (nicht gezeigte) Strahlführungseinrichtungen umfassen, um den Strahl 18 entlang eines optischen Pfads zu dem ersten Diffusor 50 zu führen, oder/und der optische Koppler 44 kann eine oder mehrere Strahlführungseinrichtungen (nicht gezeigt) umfassen, um die Optiken des Kopplers 44 zu dem empfangenen Strahl 18 auszurichten, in welchem Fall die Koppler 40, 44 nicht notwendigerweise zueinander ausgerichtet sein müssen. Allgemeiner kann die Übermittlungseinrichtung 14 eine oder mehrere Strahlführungseinrichtungen umfassen (beispielsweise jede beliebige geeignete Anordnung mit Spiegel(n), Strahlteiler(n) oder/und Linse(n)), um den Strahl 18 entlang eines optischen Pfads von dem Eingang (zum Beispiel von der Eingangsfaser 30 in bevorzugten Ausführungsbeispielen) der Einrichtung 14 zu dem Ausgang (zum Beispiel der Ausgangsfaser 34 in bevorzugten Ausführungsbeispielen) der Einrichtung 14 zu führen. Daher muss der optische Pfad zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Einrichtung 14 nicht notwendigerweise linear sein. Die Strahlführungseinrichtung(en), sofern vorhanden, ist/sind Teil des Strahlübermittlungsmittels der Einrichtung 14, wobei das Strahlübermittlungsmittel auch die optischen Homogenisierungsmittel umfasst.
Der optische Diffusor 50 kann jede beliebige konventionelle Form annehmen. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Diffusor 50 optisch durchlässig, aber er kann alternativ optisch reflektierend sein. Beispielsweise kann der Diffusor 50 aus einem transluzenten aber vorzugsweise nicht transparenten Material gebildet sein, oder aus einem optisch reflektierenden Material, oder und er kann irgend eines oder mehrere umfassend von: Oberflächenstrukturen, internen Strukturen, Oberflächenmarkierungen, Oberflächenbeschichtung oder Linsen, um einen optisch diffusen Effekt zu erzielen. Beispielsweise kann der Diffusor 50 aus zermahlenem Glas, Teflon, einem holographischen Material, Opalglas gebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Diffusor 50 einen konstruierten Diffusor, bei dem ein pseudo-zufälliges Muster in ein optisch durchlässiges Substrat geätzt ist, welches typischerweise aus Glas oder Plastik besteht. In alternativen Ausführungsformen kann der Diffusor 50 einen reflektierenden Diffusor umfassen. Beispielsweise kann der Diffusor 50 konfiguriert sein, um eine Diffusion mit einem halben Winkel von zwischen 1° und 3° zu erzeugen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst der erste optische Diffusor 50 einen drehbaren optischen Diffusor. 5 zeigt ein Beispiel von einem drehbaren optischen Diffusor 50, der zweckmäßigerweise aber nicht notwendigerweise eine Scheibe umfasst, die mit einem Drehantrieb gekoppelt ist, der zweckmäßigerweise einen Motor 52 umfasst. Der Motor 52 kann so betrieben werden, dass er den Diffusor 50 um seine Mitte dreht. Der illustrierte Diffusor 50 kann als Spinning-Disk-Diffusor bezeichnet werden. Die Drehbewegung des Diffusors 50 findet vorzugsweise um eine Achse statt, die parallel oder im Wesentlichen parallel zu dem Pfad des Strahls 18 ist, oder parallel oder im Wesentlichen parallel zu der gemeinsamen Achse zwischen den Kopplern 40, 44 im vorliegenden Beispiel. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Drehachse nicht genau parallel zum Strahl-Pfad oder der gemeinsamen Achse (beispielsweise kann sie um 0,5° bis 5° von der Parallelen abweichen) um Rückreflektionen in das Faserende 33 zu vermeiden. In alternativen Ausführungsformen kann der Diffusor 50 ein sich hin und her bewegender Diffusor 50 sein, und zu diesem Zweck kann er mit jedem beliebigen (nicht gezeigten) Antrieb für eine Hin-und-Her-Bewegung gekoppelt sein, um dem Diffusor 50 eine Hin-und-Her-Bewegung aufzuerlegen. Beispielsweise kann der Aktuator für die Hin-und-Her-Bewegung eine Vibrationseinrichtung umfassen (zum Beispiel einen piezoelektrischen Antrieb). Die Hin-und-Her-Bewegung des Diffusors 50 ist vorzugsweise senkrecht oder schräg in Bezug auf den Pfad des Strahls 18 oder die gemeinsame Achse zwischen den Kopplern 40, 44. In jedem Fall ist die bevorzugte Anordnung so, dass der Diffusor 50 den Pfad des Strahls 18 schneidet und bewegbar in Bezug auf den Pfad des Strahls ist, um im Betrieb einen Diffusionseffekt auf den Strahl zu haben.
In bevorzugten Ausführungsform ist der Diffusor 50 optisch durchlässig, so dass der Strahl 18 hindurch transmittiert wird, wenn er vom Koppler 40 zu dem Koppler 44 läuft. Zweckmäßigerweise schneidet der Diffusor 50 die gemeinsame Achse zwischen den Kopplern 40, 44. Der Diffusor 50 kann in einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht zu dem Pfad des Strahls 18 ist oder schräg dazu. Es ist bevorzugt, dass der Diffusor in einer Ebene angeordnet ist, die im Wesentlichen aber nicht genau senkrecht zu dem Pfad des Strahls 18 ist (beispielsweise kann sie um 0,5° bis 5° von der Senkrechten abweichen).
In bevorzugten Ausführungsbeispielen fokussiert der optische Koppler 40 den Strahl auf den Diffusor 50 oder bildet ihn auf diesen ab, vorzugsweise mit einer Vergrößerung, so dass der Strahl 18 einen Fleck auf dem Diffusor 50 produziert, der größer ist als die Querschnittsfläche des Strahls 18, der aus dem Koppler 40 heraustritt. Beispielsweise kann der Vergrößerungsfaktor zwischen x2 und x20 sein. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Vergrößerungsfaktor, der durch den Koppler 40 implementiert wird, größer als der Verkleinerungsfaktor (Ent-Vergrößerungsfaktor), der durch den Koppler 44 implementiert wird. Beispielsweise kann der Koppler 40 den Strahl 18 um einen Faktor 8 vergrößern, während der Koppler 44 den Strahl 18 um einen Faktor von 2,5 verkleinert.
Der Diffusor 50 mach den Strahl 18 diffus oder streut ihn. Dies hat den Effekt, das Licht insbesondere in einem transversalen Querschnitt, also senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, räumlich zu randomisieren oder zu modifizieren. Das Licht kann räumlich randomisiert/modifiziert sein, in Bezug auf seine Intensität oder Amplitude oder/und seine Phase. Die räumliche Randomisierung unterdrückt Specklemuster, die als Ergebnis der Kohärenz des Lichts, das von dem Strahlungsquellen-Modul 12 erzeugt wird, auftreten können (was auftreten kann für hoch kohärente Lichtquellen (Singlemode räumlich und zeitlich) und für moderat kohärente Lichtquellen (Singlemode räumlich und Multimode zeitlich)).
Die Strahlungsübermittlungseinrichtung umfasst ein zweites optisches Homogenisierungsmittel in der bevorzugten Form eines zweiten optischen Diffusors 60. Der zweite optische Diffusor 60 befindet sich zwischen der Eingangsfaser 30 und der Ausgangsfaser 34. In bevorzugten Ausführungsformen befindet sich der zweite optische Diffusor 60 zwischen den optischen Kopplern 44, 40. Die Anordnung ist derart, dass der Strahl 18 von der Eingangsfaser 30 zu der Ausgangsfaser 34 durch den ersten und den zweiten optischen Diffusor 50, 60 übertragen wird. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel befindet sich der zweite Diffusor 60 zwischen dem ersten Diffusor 50 und der Ausgangsfaser 34, aber er kann sich alternativ zwischen dem ersten Diffusor 50 und der Eingangsfaser 34 befinden.
Der zweite optische Diffusor 60 kann irgendeine konventionelle Form annehmen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Diffusor 60 optisch durchlässig, aber er kann alternativ optisch reflektierend sein. Beispielsweise kann der Diffusor 60 aus einem transluzenten aber bevorzugt nicht transparenten Material hergestellt sein, oder aus einem optisch reflektierenden Material, oder und er kann eines oder mehrerer umfassen von: Oberflächenstrukturen, internen Strukturen, Oberflächenmarkierungen, Oberflächenbeschichtung oder Linsen, um einen optisch diffusiven Effekt zu erzeugen. Beispielsweise kann der Diffusor 60 aus zermahlenem Glas, aus Teflon, einem holographischen Material oder Opalglas gebildet sein. In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Diffusor 50 einen konstruierten Diffusor, bei dem ein pseudo-zufälliges Muster in ein optisch durchlässiges Substrat geätzt ist, welches typischerweise aus Glas oder Kunststoff hergestellt ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Diffusor 60 einen reflektierenden Diffusor umfassen. Beispielsweise kann der Diffusor 60 konfiguriert sein, um eine Diffusion mit einem Halbwinkel von zwischen 1° bis 3° zu erzeugen.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der zweite optische Diffusor 60 einen drehbaren optischen Diffusor, beispielsweise von dem Typ, der in 5 gezeigt ist. Der zweite Diffusor 60 kann daher ein Spinning-Disk-Diffusor sein. Die Drehbewegung des Diffusor 60 findet bevorzugt um eine Achse statt, die parallel oder im Wesentlichen parallel zu dem Pfad des Strahls 18 verläuft, oder parallel oder im Wesentlichen parallel zu der gemeinsamen Achse zwischen den Kopplern 40, 44 im vorliegenden Beispiel. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Drehachse nicht exakt parallel zu dem Strahlpfad oder der gemeinsamen Achse (z.B. kann sie um 0,5° bis 5° von der Parallelen abweichen). In alternativen Ausführungsbeispielen kann der Diffusor 60 ein sich hin und her bewegender Diffusor 60 sein, und zu diesem Zweck kann er gekoppelt sein mit einem geeigneten Aktuator für eine Hin-und-Her-Bewegung (nicht gezeigt), um dem Diffusor 60 eine Hin-und-Her-Bewegung aufzuerlegen. Beispielsweise kann der Aktuator für die Hin-und-her-Bewegung eine Vibrationseinrichtung umfassen (zum Beispiel einen piezoelektrischen Antrieb). Die Hin-und-her-Bewegung des Diffusors 60 ist bevorzugt senkrecht oder schräg zu dem Pfad des Strahls 18 oder der gemeinsamen Achse zwischen den Kopplern 40, 44. In jedem Fall ist die bevorzugte Anordnung derart, dass der Diffusor 60 den Pfad von dem Strahl 18 schneidet und in Bezug auf den Pfad des Strahls bewegbar ist, um im Betrieb einen Diffusionseffekt auf den Strahl 18 aufzuweisen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Diffusor 60 optisch durchlässig, so dass der Strahl 18 hindurch transmittiert wird, wenn er von dem Koppler 40 zu dem Koppler 44 läuft. Bevorzugt schneidet der Diffusor 60 die gemeinsame Achse zwischen den Kopplern 40, 44. Der Diffusor 60 kann in einer Ebene angeordnet sein, die senkrecht oder schräg zu dem Pfad des Strahls 18 ist. Es ist bevorzugt, dass der Diffusor in einer Ebene angeordnet ist, die im Wesentlichen aber nicht exakt senkrecht zu dem Pfad des Strahls 18 ist (z. B. kann sie um 0,5° bis 5° von der Senkrechten abweichen).
Der erste und der zweite Diffusor 50,60 können in der Laufrichtung des Strahls 18 voneinander beabstandet sein, mit einem geeigneten Abstand, zum Beispiel zwischen 1 mm und 10 mm. Optional können eine oder mehrere Linsen (zum Beispiel eine oder mehrere Relaislinsen (nicht gezeigt)) zwischen den Diffusoren 50 und 60 vorgesehen sein.
6 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des optischen Mikroskop-Systems 10'. Soweit nicht anders angegeben kann das System 10' das gleiche sein wie das System 10 aus 1, und die gleiche oder eine ähnliche Beschreibung kann gelten, was klar für den Fachmann ist. Im System 10' umfasst der erste und der zweite optische Diffusor 50', 60' jeweils einen reflektierenden Diffusor. Beispielsweise kann jeder Diffusor 50', 60' eine optisch reflektierende Vorderseiten-Oberfläche 51', 61' haben, welche Strukturen, Markierungen oder/und andere optische Diffusionsmittel umfasst, um den Strahl 18 diffus zu machen. Das System 10' ist so angeordnet, dass der Strahl 18, der aus dem Koppler 40 tritt, an jedem Diffusor 50', 60' reflektiert wird und zu dem Koppler 44 gelenkt wird. In anderen (nicht gezeigten) Ausführungsbeispielen können entweder der erste oder der zweite Diffusor optisch durchlässig sein und der jeweils andere Diffusor kann optisch reflektierend sein, wobei das System so angeordnet ist, dass der Strahl von einem Diffusor reflektiert wird und durch den anderen hindurch tritt und auf die Ausgangsfaser gelenkt wird.
Der zweite Diffusor 60, 60' kann in die gleiche Richtung oder in die entgegengesetzte Richtung gedreht werden wie der erste Diffusor 50, 50'. Bevorzugt werden der erste und der zweite Diffusor 50, 50', 60, 60' mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedreht. Bevorzugt wird der zweite Diffusor 60, 60' langsamer gedreht als der erste Diffusor 50, 50'. Beispielsweise kann die Geschwindigkeit des zweiten Diffusor 60, 60' zwischen 5 % und 95 % der Geschwindigkeit des ersten Diffusors 50, 50' betragen. Beispielsweise kann der erste Diffusor 50, 50' bei ungefähr 5000 Umdrehungen/min gedreht werden, während der zweite Diffusor 60, 60' bei ungefähr 4800 Umdrehungen/min gedreht werden kann.
Allgemeiner werden der erste und der zweite Diffusor 50, 50', 60, 60' bevorzugt mit voneinander verschiedenen Geschwindigkeiten bewegt, ob die Bewegung nun eine Drehbewegung oder ein Hin-und-Her-Bewegung ist. In bevorzugten Ausführungsbeispielen, in welchen insbesondere aber nicht exklusiv jeder Diffusor 50, 50', 60, 60' drehbar ist, wird der eine der Diffusoren 50, 50', 60, 60' mit ungefähr zwischen 5 % und 95 % der Geschwindigkeit des anderen Diffusors 60, 60', 50, 50' gedreht oder anders bewegt. Für drehende Diffusoren kann die Geschwindigkeit die Rotationsgeschwindigkeit oder die Rotationsfrequenz sein. Für sich hin und her bewegende Diffusoren oder andere sich hin und her bewegende Komponenten kann die Geschwindigkeit die lineare Geschwindigkeit oder die Frequenz der Hin-und-Her-Bewegung sein.
Der zweite Diffusor 60, 60' macht den Strahl 18 diffus oder streut ihn und randomisiert oder modifiziert sein räumliches Muster weiter, insbesondere sein räumliches Muster in einem transversalen Querschnitt. Typischerweise wird das räumliche Muster des Strahls 18 weiter randomisiert oder modifiziert in Bezug auf seine Intensität (oder Amplitude) oder/und seine Phase. Die Anordnung ist so, dass jede Ungleichförmigkeit des räumlichen Musters sich mit der Zeit ändert, so dass über die Zeit (zum Beispiel während einer Belichtungszeit) die Ungleichförmigkeit sich heraus mittelt, so dass das räumliche Muster im Wesentlichen gleichförmig ist oder wenigstens gleichförmig erscheint. Wenn nur ein periodisches Homogenisierungsmittel verwendet wird, dann wird ein momentaner Schnappschuss des Strahlquerschnitts nach einer Periode des Homogenisierungsmittels im Wesentlichen gleich aussehen wie für die vorherige Periode, also wird eine Korrelation bestehen zwischen den jeweiligen räumlichen Mustern am Ende jeder Periode, was in Bildern, die durch das Mikroskop erzeugt werden, als ein periodisches Muster erscheinen kann. Die Verwendung des zweiten Homogenisierungsmittels stellt sicher, dass jede solche Korrelation klein ist, also ein periodisches Muster nicht auftritt, bis beide Homogenisierungsmittel zum gleichen Anfangszustand zurückkehren, was eine deutlich längere Zeit als eine Periode der ersten Homogenisierungseinrichtung dauert. Aufeinanderfolgende räumliche Muster, die durch zwei Homogenisierungseinrichtungen verursacht werden, können vorhersagbar sein, aber erscheinen in der Praxis zufällig.
Bevorzugt verhindert daher der zweite Diffusor 60, 60' dass der Strahl 18 ein wahrnehmbares periodisches räumliches Muster entwickelt, insbesondere als Ergebnis der periodischen Bewegung des ersten Diffusors 50, 50'. Im Ergebnis weist der durch die Strahlübermittlungseinrichtung 14 übermittelte Strahl eine gleichförmigere oder homogenere Intensität auf und ist dazu in der Lage, eine gleichmäßigere Beleuchtung einer Probe zu sichern. Falls das Mikroskop ein Konfokalmikroskop ist, verhindert die Wirkung des zweiten Diffusors 60, 60', dass sich Schwebungsmuster bilden, wenn das Licht durch eine sich drehende konfokale Scheibe abgebildet wird.
In alternativen Ausführungsformen kann sich der zweite Diffusor 60 zwischen der Faser 34 und dem Mikroskop 16 befinden oder in das Mikroskop eingebaut sein, um den Strahl 18 vom Ende 36 der Faser 34 zu empfangen. In anderen alternativen Ausführungsbeispielen (nicht illustriert) kann das zweite optische Diffusionsmittel Mittel umfassen, um die Ausgangsfaser 34 bevorzugt in einer sich hin und her bewegenden Weise zu bewegen oder in einer anderen periodischen Weise, in Bezug auf den Pfad des Strahls 18. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine Vibrationseinrichtung mit der Ausgangsfaser 34 gekoppelt wird, um die Faser 34 zum Schwingen zu bringen. Ein geeigneter konventioneller Vibrationsmotor oder eine andere Vibrationseinrichtung, beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb, können für diesen Zweck verwendet werden. Bevorzugt ist die Vibrationsgeschwindigkeit oder Frequenz anders als die Geschwindigkeit oder Frequenz des ersten Diffusors 50, 50'. Die Bewegung der Ausgangsfaser 34 hat einen Diffusionseffekt auf das Licht, welches durch die Faser 34 transportiert wird. Noch wichtiger ist jedoch, dass die Bewegung der Ausgangsfaser 34 nicht mit der Rotation des Diffusors 50 synchronisiert ist und so jedes periodische räumliche Muster unterbricht, das anderenfalls aus der periodischen Bewegung des Diffusors 50 resultieren könnte. Bevorzugt kann der Störeffekt des Vibrierens der Faser 34 erreicht werden, ohne dass die Faser 34 um die Vibrationseinrichtung gewickelt werden muss, es kann beispielsweise erreicht werden, indem ein Ende der Faser 34 oder eine nicht aufgewickelte Länge der Faser 34 zum Schwingen gebracht wird.
Allgemeiner arbeiten das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel bei unterschiedlichen Frequenzen, so dass ihre Bewegung nicht synchronisiert ist. Insbesondere bewegen sich das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel in einer periodischen Weise mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz. In bevorzugten Ausführungsbeispielen wird dies dadurch erreicht, dass der erste und der zweite Diffusor 50, 50', 60, 60' mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedreht werden. Die bevorzugte Anordnung ist so, dass der erste Diffusor 50, 50' und der zweite Diffusor 60, 60' sich nicht in einer synchronisierten Weise oder mit einer konstanten Phasenbeziehung bewegen. Die fehlende Synchronisation der Bewegung verhindert, dass sich wiederholende Muster in dem Ausgangsstrahl 18 auftreten, also dem Strahl, der aus dem Austrittsende 36 der Ausgangsfaser 34 heraustritt, was die Qualität der Bilder, die durch das Mikroskop oder ein anderes Endsystem erzeugt werden, nachteilig beeinflussen könnte. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die jeweilige periodische Bewegung von dem ersten und dem zweiten optischen Homogenisierungsmittel dazu konfiguriert, dass das räumliche Querschnittmuster (insbesondere sein Intensität-Querschnittmuster) des Strahls 18, der von der Faser 34 ausgegeben wird, nach einer Periode desjenigen von dem ersten und zweiten Homogenisierungsmittel, das schneller ist oder eine höhere Frequenz hat, nicht korreliert oder im Wesentlichen nicht korreliert mit dem räumlichen Querschnittmuster (insbesondere seinem Intensität-Querschnittmuster) von dem Strahl 18 ist, der von der Faser 34 ausgegeben wird, nach der vorherigen Periode desjenigen von dem ersten und zweiten Homogenisierungsmittel, das schneller ist oder eine höhere Frequenz hat. Die jeweiligen Muster sind nicht korreliert oder im Wesentlichen nicht korreliert, dahingehend, dass das Querschnittmuster insbesondere das Intensität-Querschnittmuster, sich nicht nach jeder Periode der Homogenisierungseinrichtung mit der höheren Frequenz wiederholt.
Im Betrieb des bevorzugten Ausführungsbeispiels wird Licht von dem Austrittsende 33 der Eingangsfaser 30 auf den ersten Diffusor 50 abgebildet oder anderweitig gelenkt, durch den optischen Koppler 40, um einen Fleck auf dem ersten Diffusor 50 zu erzeugen, bevorzugt einen vergrößerten Fleck. Der Strahl 18 läuft vom ersten Diffusor 50 zum zweiten Diffusor 60, wobei er einen entsprechenden Fleck auf dem zweiten Diffusor 60 produziert. Optional werden eine oder mehrere Relaislinsen zwischen den Diffusoren 50, 60 vorgesehen, um den Fleck von dem ersten Diffusor zu dem zweiten Diffusor weiterzuleiten. Der Strahl 18 wird von dem zweiten Diffusor 60 zu dem optischen Koppler 40 gelenkt (also zum Beispiel als ein Ergebnis einer Ausrichtung der Koppler 40, 44 (wie illustriert) oder/und durch eine andere konventionelle Strahlführungskomponente oder -Komponenten), woraufhin der Koppler 44 den Strahl 18 in das Eintrittsende 35 der Ausgangsfaser 34 lenkt. Der Koppler 44 kann dazu konfiguriert sein, den Fleck auf dem zweiten Diffusor 16 auf die Faser 34 abzubilden oder zu fokussieren, vorzugsweise mit einer Verkleinerung (Ent-Vergrößerung).
Der Durchmesser des Strahls 18 und die Eigenschaften der Diffusoren 50, 60 sind bevorzugt so ausgelegt, dass sie eine effiziente Kopplung des Lichts in die Ausgangsfaser 34 erzielen und eine hinreichende Gleichmäßigkeit aus der Faser 34 heraus erzielen. Beispielsweise können zum Koppeln von Licht von den Diffusoren 50, 60 in die Ausgangsfaser 34 der Strahldurchmesser (Dd) der auf den Diffusor 50 einfällt, der effektive kombinierte Diffusorwinkel (Halbwinkel alpha) der Diffusoren 50, 60, der Kern-Durchmesser (Df) der Faser 34 und die numerische Apertur (NA) der Faser 34 im Wesentlichen annähernd die folgende Beziehung erfüllen $Dd * sin (alpha) < Df * NA$
Je größer der Wert Dd*alpha ist, umso größer ist der Verlust, aber umso größer ist auch die Modenvariation, wenn die Diffusoren sich bewegen, und auf diese Weise kann eine größere Gleichförmigkeit des Bilds erhalten werden. Wenn der Strahl 18, der auf den Diffusor 50 einfällt, nicht kollimiert ist, dann wird eine Verbreiterung im Winkel (Halbwinkel theta) auftreten, so dass Gleichung [1] ersetzt werden kann durch $Dd*sin (alpha + theta) < Df*NA$
Das Licht, welches in die Faser 34 eintritt, sollte Winkel unterhalb des Akzeptanzwinkels (NA) der Faser 34 sowie eine räumliche Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als der Faserdurchmesser (Df). Dies kann erreicht werden, indem der Fleck auf dem zweiten Diffusor 60 auf die Faser 34 durch den optischen Koppler 44 mit einer Verkleinerung (Ent-Vergrößerung) M abgebildet wird. Vorzugsweise erfüllt die Verkleinerung: $Dd / M < Df$
um die Größen-Anforderungen zu erfüllen und erfüllt $M * sin (alpha + theta) < NA$
für die Winkel-Erfordernisse (der Winkel theta kann für einen kollimierten Eingangsstrahl weggelassen werden).
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sondern kann geändert oder modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Eine Laserstrahlübermittlungseinrichtung für ein Mikroskop umfasst einen ersten und einen zweiten optischen Diffusor, die dazu konfiguriert sind, sich in einer periodischen Weise mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz zu bewegen. Jeder optische Diffusor kann eine sich drehende Scheibe umfassen. Das Laserlicht wird räumlich randomisiert durch den ersten sich drehenden Diffusor und sein räumliches Muster wird weiter randomisiert durch den zweiten Diffusor. Der zweite Diffusor verhindert, dass sich ein räumliches Muster nach einer Umdrehung des ersten Diffusors wiederholt, was die Bildung von Schwebemustern verhindert, wenn das Licht durch eine sich drehende konfokale Linse abgebildet wird, und in anderen Fällen die Gleichmäßigkeit erhöht.

Claims

Strahlungsübermittlungseinrichtung, umfassend einen Strahleingang, einen Strahlausgang, und ein Strahlübermittlungsmittel, das dazu konfiguriert ist, einen Strahl von dem Strahleingang zu dem Strahlausgang entlang eines optischen Pfads zu übermitteln, wobei das Strahlübermittlungsmittel umfasst: ein erstes optisches Homogenisierungsmittel, und ein zweites optisches Homogenisierungsmittel, und wobei das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel dazu konfiguriert sind, sich mit einer jeweils verschiedenen Frequenz in einer periodischen Weise zu bewegen.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste optische Homogenisierungsmittel einen ersten optischen Diffusor umfasst, der den optischen Pfad schneidet und in Bezug auf diesen bewegbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste optische Diffusor optisch durchlässig ist oder optisch reflektierend ist.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das zweite optische Homogenisierungsmittel einen zweiten optischen Diffusor umfasst, der den optischen Pfad schneidet und in Bezug auf diesen bewegbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite optische Diffusor optisch durchlässig ist oder optisch reflektierend ist.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei entweder eines oder beide von dem ersten optischen Homogenisierungsmittel und dem zweiten optischen Homogenisierungsmittel in Bezug auf den optischen Pfad drehbar ist/sind.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel mit einer jeweils verschiedenen Geschwindigkeit drehbar sind.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das erste optische Homogenisierungsmittel einen ersten optischen Diffusor umfasst, das zweite optische Homogenisierungsmittel einen zweiten optischen Diffusor umfasst, und wobei der erste und der zweite optische Diffusor drehbar sind und im Betrieb mit einer jeweils voneinander verschiedenen Geschwindigkeit gedreht werden.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das erste optische Homogenisierungsmittel einen ersten optischen Diffusor umfasst, das zweite optische Homogenisierungsmittel einen zweiten optischen Diffusor umfasst, und wobei der erste und der zweite optische Diffusor so in dem optischen Pfad angeordnet sind, dass der Strahl im Betrieb vom ersten optischen Diffusor zu dem zweiten optischen Diffusor verläuft.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei der Strahlausgang eine optische Ausgangsfaser umfasst, bevorzugt eine optische Multimode-Faser, und wobei das Strahlübermittlungsmittel dazu konfiguriert ist, den Strahl zu einem Eintrittsende der optischen Ausgangsfaser zu lenken.
Einrichtung nach Anspruch 10, abhängig von Anspruch 9, wobei das Strahlübermittlungsmittel dazu konfiguriert ist, den Strahl von dem zweiten optischen Diffusor zu der optischen Ausgangsfaser zu lenken, bevorzugt durch freien Raum.
Einrichtung nach Anspruch 11, wobei die Ausgangsfaser einen optischen Koppler an einem Eintrittsende der Ausgangsfaser aufweist, wobei der optische Koppler bevorzugt dazu konfiguriert ist, den Strahl aus dem freien Raum zu empfangen und den Stahl zum Eintrittsende der Ausgangsfaser zu lenken, und wobei der optische Koppler optional wenigstens ein optisches Element zum Verkleinern des Strahls umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 12, wobei der optische Koppler wenigstens ein optisches Element umfasst, wobei das optische Element dazu dient, den Strahl in das Eintrittsende der Ausgangsfaser zu fokussieren.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei der Strahleingang eine optische Eingangsfaser umfasst, vorzugsweise eine optische Multimode-Faser, und wobei das Strahlübermittlungsmittel dazu konfiguriert ist, den Strahl von einem Austrittsende der optischen Eingangsfaser zu dem ersten optischen Homogenisierungsmittel zu lenken.
Einrichtung nach Anspruch 14, abhängig von Anspruch 9, wobei das Strahlübermittlungsmittel dazu konfiguriert ist, den Strahl von der optischen Eingangsfaser zu dem ersten optischen Diffusor zu lenken, bevorzugt durch freien Raum.
Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei ein optischer Koppler an einem Austrittsende der Eingangsfaser vorgesehen ist, wobei der optische Koppler bevorzugt dazu konfiguriert ist, den Strahl von dem Austrittsende der Eingangsfaser zu empfangen und den Strahl in den freien Raum zu emittieren.
Einrichtung nach Anspruch 16, wobei der optische Koppler wenigstens ein optisches Element zum Vergrößern des Strahls umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei der optische Koppler wenigstens ein optisches Element umfasst, um den Strahl auf das erste optische Homogenisierungsmittel abzubilden oder zu fokussieren.
Einrichtung nach Anspruch 10, wobei das zweite optische Homogenisierungsmittel ein Mittel umfasst, um die Ausgangsfaser in einer periodischen Weise zu bewegen, bevorzugt in einer sich hin und her bewegenden Weise.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei die jeweilige periodische Bewegung des ersten und zweiten optischen Homogenisierungsmittels dazu konfiguriert ist, dass ein räumliches Querschnittmuster des Strahls an dem Strahlausgang nach irgend einer Periode desjenigen von dem ersten und zweiten Homogenisierungsmittel mit der höheren Frequenz im Wesentlichen unkorreliert ist zu dem räumlichen Querschnittmuster des Strahls an dem Strahlausgang nach der vorherigen Periode desjenigen von dem ersten und zweiten Homogenisierungsmittel mit der höheren Frequenz.
Einrichtung nach einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, wobei das erste optische Homogenisierungsmittel bewegbar ist, um ein räumliches Querschnittmuster des Strahls zu modifizieren, und wobei das zweite optische Homogenisierungsmittel bewegbar ist, um das räumliche Querschnittmuster des Strahls weiter zu modifizieren.
Mikroskop-System, umfassend ein Strahlungsquellen-Modul, ein Mikroskop-Modul und eine Strahlungsübermittlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die Strahlungsübermittlungseinrichtung dazu konfiguriert ist, den Strahl von dem Strahlungsquellen-Modul zu dem Mikroskop-Modul zu übermitteln.
Verfahren zum Homogenisieren eines Strahls, wobei das Verfahren umfasst: Lenken des Strahls zu einem ersten optischen Homogenisierungsmittel, Lenken des Strahls von dem ersten optischen Homogenisierungsmittel zu einem zweiten optischen Homogenisierungsmittel, und Bewegen des ersten optischen Homogenisierungsmittels und des zweiten optischen Homogenisierungsmittels in einer periodischen Weise mit einer jeweils unterschiedlichen Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 23, umfassend: Modifizieren eines räumlichen Querschnittmusters des Strahls durch Bewegen des ersten optischen Homogenisierungsmittels, und weiteres Modifizieren des räumlichen Querschnittmusters des Strahls durch Bewegen des zweiten optischen Homogenisierungsmittels.
Einrichtung zum Homogenisieren eines Strahls, wobei die Einrichtung umfasst: Mittel zum Lenken des Strahls zu einem ersten optischen Homogenisierungsmittel, Mittel zum Lenken des Strahls von dem ersten optischen Homogenisierungsmittel zu einem zweiten optischen Homogenisierungsmittel, Mittel zum Bewegen des ersten optischen Homogenisierungsmittels in einer periodischen Weise, und Mittel zum Bewegen des zweiten optischen Homogenisierungsmittels in einer periodischen Weise, wobei die Bewegungsmittel dazu konfiguriert sind, das erste optische Homogenisierungsmittel und das zweite optische Homogenisierungsmittel mit einer jeweils verschiedenen Frequenz zu bewegen.