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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Konfokalmikroskop, mit zwei oder mehr halbleiterbasierten Lichtquellen, insbesondere Laserdioden, die dazu ausgelegt sind, Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen zu emittieren, und einer Kombiniereinheit, die dazu ausgelegt ist, die Lichtemissionen der Lichtquellen in einem einzigen Ausgangslichtstrahl zu kombinieren.
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In einem Konfokalmikroskop wird das Licht einer Beleuchtungsvorrichtung in das mikroskopierte Präparat abgebildet. Von der so beleuchteten Stelle wird Licht durch ein Objektiv auf eine Lochblende fokussiert, bevor es einen Detektor erreicht. Die näherungsweise punktförmige Öffnung der Lochblende und der Beleuchtungspunkt im Präparat sind dabei konfokal zueinander (d.h. gleichzeitig im Fokus). Gängige Konfokalmikroskope sind Auflichtmikroskope, bei denen das Objektiv sowohl für die Beleuchtung als auch für die Detektion verwendet wird. Bei einem Konfokalmikroskop wird also nicht das gesamte Präparat beleuchtet, sondern zu jedem Zeitpunkt nur ein Punkt. Die punktförmige Beleuchtung wird inkrementell über das Präparat gerastert (gescannt). Im Mikroskop entsteht also zu keinem Zeitpunkt ein vollständiges Bild. Die Lichtintensitäten des von dem Ort des jeweils beleuchteten Punktes reflektierten oder durch Fluoreszenz abgegebenen Lichtes werden vielmehr sequenziell an einer Auswahl von Positionen des abzubildenden Bereiches gemessen, so dass eine anschließende Rekonstruktion eines Bildes möglich ist. Zur spezifischen Anregung verschiedener Farbstoffe in einem Präparat wird eine Beleuchtungsvorrichtung verwendet, die Licht bei verschiedenen Wellenlängen bereitstellt. Die Wahl der Anregungswellenlänge richtet sich nach den Absorptionseigenschaften der zu untersuchenden Farbstoffe. Zum Einsatz kommen im Stand der Technik Beleuchtungsvorrichtungen die verschiedene kontinuierlich emittierende (cw) Laser (z.B. Argon, Argon-Krypton-, Titan-Saphir-Laser) umfassen. Die Beleuchtungsvorrichtung weist dabei eine Kombiniereinheit (z.B. in Form von Spiegeln oder Strahlteilern) zur Kombination der Lichtemissionen der verschiedenen Laser in einem einzigen Ausgangslichtstrahl auf, der dem Konfokalmikroskop zur Beleuchtung des Präparates zugeführt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung erhält ein Steuersignal von der Elektronik des Konfokalmikroskops, über das dieses Licht mit - entsprechend der hohen Scangeschwindigkeit moderner Konfokalmikroskope - einer in schneller Abfolge wechselnden Wellenlänge und Intensität anfordert. In der Beleuchtungsvorrichtung erfolgt auf Basis des Steuersignals die Selektion der gewünschten Wellenlängen und die Einstellung der Intensität des Lichts bei der benötigten Wellenlänge z.B. durch den Einsatz eines akusto-optischen durchstimmbaren Filters (AOTF, siehe z.B.
DE 10 2007 028 337 A1 ). Derartige Filter und die zugehörige Ansteuerelektronik stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar.
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Es ist auch bekannt, Leuchtdioden oder Laserdioden, also halbleiterbasierte Lichtquellen, die bei verschiedenen Wellenlängen emittieren, in Beleuchtungsvorrichtungen für Konfokalmikroskope zu verwenden. Ggf. werden einzelne der Lichtquellen in Kombination mit nicht-linearer Frequenzumwandlung (z.B. Frequenzverdoppelung) betrieben, um bestimmte Wellenlängen verfügbar zu machen. Bei derartigen Beleuchtungsvorrichtungen werden die Lichtquellen direkt einzeln strommoduliert, um zeitgesteuert die Abgabe von Licht einer bestimmten Wellenlänge und Intensität im Ausgangsstrahl der Beleuchtungsvorrichtung zu erreichen. Ein wesentlicher Nachteil der direkten Strommodulation, also des nicht kontinuierlichen Betriebs der Halbleiterlichtquellen, ist, dass die Strommodulation aufgrund der in Wärme umgesetzten Verlustleistung eine Temperaturmodulation des Halbleiterkristalls nach sich zieht, die sich wiederum in einer spezifischen dynamischen Verzögerung der Lichtemission gegenüber dem Betriebsstromsignal, mit dem die jeweilige Lichtquelle beaufschlagt wird, äußert. Bei hohen Modulationsfrequenzen findet im Halbleiter der jeweiligen Lichtquelle eine Modulation des Brechungsindex durch die Änderung der Ladungsträgerdichte statt. Auch dieser Effekt bewirkt eine spezifische Abweichung der Lichtemission von dem Betriebsstromsignal auf kurzen Zeitskalen (z.B. im Mikrosekunden-Bereich). Die Zeitkonstanten der thermisch bedingten dynamischen Verzögerung sind typischerweise größer (z.B. im Millisekunden- bis Sekunden-Bereich). Dies kann z.B. bedeuten, dass die Intensität der Lichtemission nach dem Einschalten des Betriebsstromsignals zunächst unterhalb (oder auch oberhalb) eines dem vorgegebenen Betriebsstrom zugeordneten Zielwertes liegt und sich dann über einen gewissen Zeitraum, d.h. verzögert, dem Zielwert asymptotisch annähert. Im Falle der Kombination der Lichtquellen in der Beleuchtungsvorrichtung mit nicht-linearen Frequenzkonvertern kann das durch diese thermischen Effekte hervorgerufene dynamische Verhalten der Lichtemission noch komplexer sein. Diese dynamischen Effekte haben einen negativen Einfluss auf die konfokale Mikroskopie, insbesondere vor dem Hintergrund der hohen Scangeschwindigkeit heutiger Geräte. Für die erzielte Bildqualität ist eine präzise und schnelle Steuerung der Beleuchtung hinsichtlich der Intensität von maßgeblicher Bedeutung.
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Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Beleuchtungsvorrichtung, die mit einer Mehrzahl von betriebsstrommodulierten halbleiterbasierten Lichtquellen arbeitet, bereitzustellen, bei der die Lichtemission möglichst frei von Verzerrungen aufgrund von dynamischen Verzögerungen der Lichtemission im Ausgangsstrahl ist.
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Die Aufgabe löst die Erfindung durch eine Beleuchtungsvorrichtung, insbesondere für ein Konfokalmikroskop, mit
- - zwei oder mehr halbleiterbasierten Lichtquellen, insbesondere Laserdioden, die dazu ausgelegt sind, Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen zu emittieren,
- - einer Kombiniereinheit, die dazu ausgelegt ist, die Lichtemissionen der Lichtquellen in einem einzigen Ausgangslichtstrahl zu kombinieren, und
- - einer mit den Lichtquellen verbundenen Treibereinheit, die dazu ausgelegt ist, aus wenigstens einem Steuersignal, das den zeitlichen Verlauf der Lichtemission jeder der Lichtquellen vorgibt, ein den Lichtquellen jeweils zugeführtes Betriebsstromsignal per digitaler Signalverarbeitung zu synthetisieren, wobei die Treibereinheit den Betriebsstromsignalen jeweils ein Kompensationssignal aufprägt, das eine spezifische dynamische Verzögerung der Lichtemission der jeweiligen Lichtquelle zumindest teilweise kompensiert.
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Der Ansatz der Erfindung besteht darin, bei der Strommodulation der Halbleiterlichtquellen auf Basis des von außen zugeführten Steuersignals den Betriebsstrom in der Weise einer „Vorverzerrung“ zu unterziehen, dass die oben angesprochenen spezifischen dynamischen Verzögerungen der einzelnen Lichtquellen kompensiert werden. Hierzu wird eine Treibereinheit verwendet, die das spezifische dynamische Verhalten der einzelnen Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung „kennt“ und auf dieser Basis Betriebsstromsignale synthetisiert, deren zeitlicher Verlauf aus dem Steuersignal abgeleitet ist und denen jeweils zusätzlich ein passendes Kompensationssignal aufgeprägt wird, damit der zeitliche Verlauf der Lichtemission im Ausgangsstrahl hinsichtlich der Intensität möglichst wenig von der Anforderung durch das Steuersignal abweicht. Bei dieser Vorgehensweise kann unterstellt werden, dass sich das dynamische, vor allem thermische Verhalten der einzelnen Lichtquellen als solches, d.h. die Parameter, die die spezifische dynamische Verzögerung der einzelnen Lichtquellen bestimmen, nur langsam ändern. Daher reicht es aus, nur einmal bei der Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung die Treibereinheit entsprechend zu parametrieren. Im laufenden Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung kann dann auf die in der Treibereinheit hinterlegte Parametrierung zugegriffen werden, um die spezifischen dynamischen Abweichungen der einzelnen Lichtquellen hinreichend gut zu kompensieren. Insofern basiert die erfindungsgemäße Kompensation ausdrücklich nicht auf einer Regelung der Lichtemission. Eine Erfassung/Messung der Lichtemission „in situ“, um daraus etwa ein Fehlersignal für eine Regelung abzuleiten, findet im regulären Betrieb der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung ausdrücklich nicht statt.
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Die Erfindung erlaubt es insbesondere, durch eine einmalige zeitaufgelöste Messung der Lichtemission der einzelnen Lichtquellen (ggf. in Kombination mit nicht-linearen Frequenzkonvertern) während der Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung die erforderliche Vorverzerrung der Betriebsstromsignale, d.h. die Kompensationssignale im Sinne der Erfindung, automatisch zu berechnen. Die Kompensation kann dann im laufenden Betrieb mit hoher Genauigkeit per digitaler Synthese der Betriebsstromsignale durchgeführt werden. Hierzu kann z.B. mittels digitaler Signalverarbeitung eine Faltung des Steuersignalverlaufs mit dem für die betreffende Lichtquelle spezifisch ermittelten Vorverzerrungssignalverlauf erfolgen. Als Alternative zur zeitaufgelösten Messung der Lichtemission bei der Parametrierung kommt eine Vermessung des Frequenzgangs der Übertragungsfunktion in Frage, die das frequenzabhängige Verhältnis von Lichtemission und Betriebsstrom der einzelnen Lichtquellen wiedergibt.
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Es zeigt sich in der Praxis, dass die spezifische dynamische Verzögerung der Lichtemission der einzelnen Lichtquellen bei Einschaltvorgängen häufig näherungsweise durch eine Überlagerung einer oder mehrerer Exponentialfunktionen (exponentielle Sättigungsfunktionen) mit jeweils unterschiedlichen Zeitkonstanten gegeben ist. Dabei nähert sich die Lichtemission ab dem Einschaltzeitpunkt mit entsprechend exponentiellem zeitlichem Verlauf einer Gleichgewichtsintensität an, bei der sich die Temperatur des Halbleiterkristalls stabilisiert hat. Entsprechend kann bei einer möglichen Realisierung der Erfindung der Verlauf des Kompensationssignals eine Überlagerung von einer oder mehreren zeitlich abfallenden Exponentialfunktionen sein, wobei jeder der Exponentialfunktionen eine andere Zeitkonstante und ein anderer (positiver oder negativer) Vorfaktor zugeordnet ist. Der Vorfaktor gibt dabei die Amplitude, d.h. die Gewichtung der jeweiligen Exponentialfunktion in dem Kompensationssignal an. Die verschiedenen Zeitkonstanten und Vorfaktoren sind als Parameter in der Treibereinheit hinterlegt. Das dynamische Verzögerungsverhalten kann arbeitspunktabhängig sein, d.h. von der jeweiligen Intensität der Lichtemission abhängen. Auch ein solches variables dynamisches Verzögerungsverhalten kann die erfindungsgemäße Treibereinheit zuverlässig kompensieren, indem in der Treibereinheit arbeitspunktabhängige Parameter für die Synthese des Kompensationssignals hinterlegt werden. Die Parameter werden, wie zuvor beschrieben, bei der Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung durch Vermessung des spezifischen dynamischen Verhaltens ermittelt.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die Synthese des Kompensationssignals nicht auf eine Überlagerung von Exponentialfunktionen beschränkt ist. Jede beliebige mathematische Funktion, die geeignet ist, das spezifische dynamische Verzögerungsverhalten der einzelnen Lichtquellen zu modellieren, kann prinzipiell verwendet werden. Entscheidend ist, dass gemäß der Erfindung das Kompensationssignal auf Basis einer vorab ermittelten und in der Treibereinheit hinterlegten Parametrierung digital erzeugt, d.h. synthetisiert wird. Hierzu umfasst die Treibereinheit zweckmäßig ein FPGA oder ein ASIC oder, je nach Performance-Anforderungen, einen Mikrocontroller, das/der auf Basis des Steuersignals die erforderlichen Digitalsignale generiert.
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Bei einer praktischen Realisierung kann die Treibereinheit eine mehrkanalige Treiberschaltung umfassen, wobei jeder Lichtquelle ein Kanal zugeordnet ist und wobei jeder Kanal mindestens einen Digital-Analog-Wandler umfasst, der ein mittels des FPGAs/ASICs/Mikrocontrollers erzeugtes Digitalsignal in das der jeweiligen Lichtquelle zugeführte analoge Betriebsstromsignal umsetzt. Jedem Kanal können optional mehrere Digital-Analog-Wandler zugeordnet sein, deren Ausgangssignale addiert werden und so insgesamt das Betriebsstromsignal bilden. Derartige Treiberschaltungen, die eine präzise Betriebsstrommodulation einer Mehrzahl von ausgangsseitig angeschlossenen Halbleiterlichtquellen auf Basis eingangsseitig zugeführter Digitalsignale ermöglichen, sind vorteilhafterweise kommerziell verfügbar. Mit einer derartigen Treiberschaltung ist die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung kostengünstig realisierbar.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Beleuchtungsvorrichtung ist wenigstens ein Lichtsensor vorgesehen, der das von den Lichtquellen emittierte Licht erfasst, wobei die Treibereinheit mit dem Lichtsensor verbunden und dazu ausgelegt ist, die den einzelnen Lichtquellen zugeordneten Kompensationssignale in einem Kalibriermodus (d.h. außerhalb des regulären Betriebs der Beleuchtungsvorrichtung) aus einem transienten Signal des Lichtsensors abzuleiten. Bei dieser Ausgestaltung kann das spezifische dynamische Verzögerungsverhalten der einzelnen Lichtquellen vermessen werden, um auf dieser Basis z.B. in gewissen Zeitabständen eine „Nachkalibrierung“ der Treibereinheit durchzuführen, wenn sich im Laufe der Zeit, z.B. durch Alterung, das dynamische Verhalten der einzelnen Lichtquellen verändert. D.h. die Parameter, die die spezifische dynamische Verzögerung der einzelnen Lichtquellen bestimmen, werden mittels des integrierten Lichtsensors neu vermessen und die Treibereinheit wird entsprechend neu parametriert. Damit ist sichergestellt, dass das erzeugte Kompensationssignal auch über längere Zeiträume hinweg die spezifische dynamische Verzögerung der Lichtemission jeder einzelnen Lichtquelle passend kompensiert.
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Es ist anzumerken, dass die erfindungsgemäße Synthese der Betriebsstromsignale nicht nur dazu genutzt werden kann, um das spezifische dynamische Verzögerungsverhalten der einzelnen Lichtquellen zu kompensieren. Es ist denkbar, dass sich im Strahlverlauf vor oder hinter der Kombiniereinheit optische Komponenten befinden, z.B. als Bestandteile des verwendeten Konfokalmikroskops, die ebenfalls ein dynamisches Verhalten zeigen, das zu einer unerwünschten zeitlichen Variation der Lichtintensität führt. Derartige dynamische Prozesse können ebenfalls vermessen und bei der Parametrierung der Treibereinheit zur Erzeugung des Kompensationssignals einbezogen werden. Somit kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung mit Vorteil eingesetzt werden, um auch solche „externen“ dynamischen Vorgänge zu kompensieren und für eine zeitlich präzise Steuerung der Lichtintensität am eigentlichen Wechselwirkungsort der Applikation zu sorgen.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung eignet sich besonders für konfokale Laser-Scanning-Mikroskope (auch als Laserrastermikroskope bezeichnet), bei denen das jeweils untersuchte Präparat mit hoher Geschwindigkeit, d.h. mit hoher Pixelfrequenz, Zeile für Zeile abgetastet wird. Meistens wird dabei die Fluoreszenz von bestimmten als Marker verwendeten Farbstoffen ortsaufgelöst nachgewiesen. Die Lichtquellen der Beleuchtungsvorrichtung sind in diesem Falle bevorzugt Laserdioden, optional in Kombination mit optischen Verstärkern und/oder nicht-linearen Frequenzkonvertern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung als Blockdiagramm;
- 2 Illustration der dynamischen Verzögerung der Lichtemission einer Laserdiode und der erfindungsgemäßen Kompensation.
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In 1 ist eine insgesamt mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Beleuchtungsvorrichtung schematisch dargestellt. Diese umfasst bei dem Ausführungsbeispiel insgesamt vier Laserdioden 2 als Lichtquellen, die Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren. Zwei Laserdioden 2 ist jeweils ein nicht-linearer Frequenzverdoppler 3 nachgeschaltet. Die Laserdioden 2 bzw. die Frequenzverdoppler 3 sind an lichtleitende Fasern 4 gekoppelt, die das emittierte Licht einer Kombiniereinheit 5 (hier einem Faserkombinierer, eine Freistrahlkombiniertechnik wäre aber ebenso denkbar) zuführen. Die Kombiniereinheit 5 kombiniert die (ggf. frequenzkonvertierten) Lichtemissionen der Lichtquellen 2 in einem einzigen Ausgangslichtstrahl, der über eine weitere Faser 6 einem Konfokalmikroskop 7 zur Beleuchtung eines Präparates 8 zugeleitet wird.
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Eine (nicht dargestellte) Steuerungselektronik des Konfokalmikroskops 7 erzeugt ein Steuersignal 9, das der Beleuchtungsvorrichtung 1 zugeführt wird, um jeweils Licht einer bestimmten Wellenlänge und einer bestimmten Intensität anzufordern. Das Steuersignal gibt somit den zeitlichen Verlauf der Lichtemission jeder einzelnen Lichtquelle 2 hinsichtlich der zeitlichen Abfolge von Ein- und Ausschaltvorgängen und hinsichtlich der Emissionsstärke vor. Eine Treibereinheit 10 der Beleuchtungsvorrichtung 1 synthetisiert auf Basis des Steuersignals 9 ein den Lichtquellen 2 jeweils zugeführtes Betriebsstromsignal 11, so dass die Lichtquellen gemäß dem Steuersignal 9 zeitlich moduliert emittieren. Dabei prägt die Treibereinheit 10 den Betriebsstromsignalen 11 jeweils ein Kompensationssignal auf, das eine spezifische dynamische Verzögerung der Lichtemission der jeweiligen Lichtquelle 2 zumindest teilweise kompensiert. Dies wird im Einzelnen nachfolgend anhand der 2 näher erläutert.
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Die Treibereinheit 10 enthält für die erforderliche digitale Signalverarbeitung ein FPGA oder einen Mikrocontroller 12, in dessen Datenspeicher Parameter hinterlegt sind, die die den einzelnen Lichtquellen 2 jeweils zugeordneten Kompensationssignale definieren. Diese Parameter werden bei der Herstellung der Beleuchtungsvorrichtung 1 auf Basis einer Vermessung des dynamischen Verhaltens jeder einzelnen Lichtquelle 2 berechnet. Im Betrieb der Beleuchtungsvorrichtung 1 greift die Software des FPGAs/Mikrocontrollers 12 auf die hinterlegten Parameter zu, um durch entsprechende „vorverzerrte“ Bestromung der Lichtquellen 2 die jeweils spezifischen dynamischen Abweichungen zu kompensieren
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Bei dem Ausführungsbeispiel umfasst die Treibereinheit 10 eine mehrkanalige Treiberschaltung 13, in der jeder Lichtquelle 2 ein Kanal zugeordnet ist und wobei jeder Kanal einen oder mehrere Digital-Analog-Wandler mit nachgeschaltetem Stromverstärker umfasst, der ein mittels des FPGAs/Mikrocontrollers 12 erzeugtes Digitalsignal in das der jeweiligen Lichtquelle 2 zugeführte analoge Betriebsstromsignal 11 umsetzt.
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Weiter ist bei dem Ausführungsbeispiel ein Lichtsensor 14 vorgesehen. Dem Lichtsensor 14 wird über eine Faser 15 ein Teil des Ausgangslichts zugeführt. Die Treibereinheit 10 ist mit dem Lichtsensor 14 verbunden. Die Treibereinheit 10 ist dadurch in der Lage, das dynamische Verzögerungsverhalten der Lichtquellen 2 z.B. zum Zwecke einer bei Bedarf oder in bestimmten Zeitabständen (z.B. im Rahmen einer Wartung) durchgeführten Rekalibrierung anhand des transienten Signals des Lichtsensors 14 zu erfassen und auf dieser Basis die das Kompensationssignal bestimmenden Parameter geeignet nachzusteuern. Hierzu kann die Treibereinheit 10 mittels des FPGAs/Mikrocontrollers 12 z.B. automatisch die Parameter in der Weise optimieren, dass die Differenz zwischen dem erfassten zeitlichen Verlauf der Lichtemission mit dem nach dem Steuersignal 9 angeforderten Verlauf minimiert wird.
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Die beiden Diagramme der 2 illustrieren die Wirkung der beschriebenen digitalen Vorverzerrung der Betriebsstromsignale. Die Kurve 21 des linken Diagramms gibt den zeitlichen Verlauf des Betriebsstromsignals 11 einer der Lichtquellen 2 ohne erfindungsgemäße Kompensation wieder. Das Betriebsstromsignal 11 hat einen nahezu perfekt rechteckförmigen Verlauf. Die Ausgangsleistung der entsprechenden Lichtquelle 2 (Kurve 22) folgt allerdings diesem Verlauf nicht, sondern zeigt eine dynamische Verzögerung (Nachlaufen der Leistung) in Form einer exponentiellen Sättigungskurve mit mehreren Zeitkonstanten. Diese liegen in einem Bereich von unterhalb einer Millisekunde bis zu mehreren Sekunden. Die Leistung der Lichtquelle 2 erreicht unmittelbar beim Einschalten nur etwa 65% und erst nach einigen Sekunden ihre volle Leistung. Im rechten Diagramm ist dem Betriebsstromsignal 11 (Kurve 23) erfindungsgemäß ein Kompensationssignal aufgeprägt, d.h. der der Lichtquelle 2 zugeführte Strom ist im obigen Sinne vorverzerrt. Das Kompensationssignal ist eine Überlagerung von zeitlich abfallenden Exponentialfunktionen mit den entsprechenden Zeitkonstanten und Vorfaktoren, um den Verlauf der Ausgangsleistung der Lichtquelle 2 (Kurve 24) im gesamten Zeitbereich möglichst konstant zu halten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007028337 A1 [0002]
