WO2018197556A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung von in eine lochblende eingestrahlten intensitäten und/oder spektralen anteilen einer strahlung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung von in eine lochblende eingestrahlten intensitäten und/oder spektralen anteilen einer strahlung Download PDF

Info

Publication number
WO2018197556A1
WO2018197556A1 PCT/EP2018/060585 EP2018060585W WO2018197556A1 WO 2018197556 A1 WO2018197556 A1 WO 2018197556A1 EP 2018060585 W EP2018060585 W EP 2018060585W WO 2018197556 A1 WO2018197556 A1 WO 2018197556A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
spectral
pinhole
spectral components
optical element
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/060585
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Egloff
Michael Hilbert
Oliver Holub
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microscopy Gmbh filed Critical Carl Zeiss Microscopy Gmbh
Publication of WO2018197556A1 publication Critical patent/WO2018197556A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4215—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical elements being wavelength selective optical elements, e.g. variable wavelength optical modules or wavelength lockers

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling intensities and / or spectral components of a radiation which are to be radiated into a pinhole or to be irradiated.
  • AOM acousto-optic modulators
  • the modulator can be operated in the Bragg regime (AOM) or in the Raman-Nath regime (AOTF).
  • EOMs electro-optic modulators
  • a birefringent crystal e.g., lithium niobate
  • the effect of EOM is based primarily on the so-called Pockels effect.
  • the polarization of incident radiation can be changed.
  • the transmitted power of the radiation is adjustable via an applied electrical voltage.
  • Another useful electro-optic effect is the Kerr effect, which is used in the Kerr cell, another EOM.
  • Modulated expansion changes of piezoelectric crystals can also be transferred to other media, whereby phase gratings (analogous to the phase shift generated by density changes in the crystals of the AOMs) can be generated in the respective media, which can also be used for light modulation.
  • a historical example would be the Debye-Sears tank, an acousto-optical Ultrasound tank.
  • diaphragms are used. These are driven by a combination of mechanical mounts, gears and motors in the beam path or from the beam path to change the power.
  • Sector discs turbine-driven sector discs
  • AOMs EOMs
  • intrinsically modulated laser light sources are used. Because of their fast
  • a disadvantage of the known from the prior art solutions is that AOMs are expensive and by the separation of the beam. 1 Order from the beam 0th order a big one Require installation space. The necessary to generate the diffraction grating vibration of the piezoelectric crystal can lead to vibrations in the rest of the system. The undiffracted part of the radiation (0th order) and higher diffraction orders can not be completely avoided and lead to optical power losses.
  • the invention is based on the object of proposing a possibility for rapid modulation and / or adaptation of the power of optical radiation or for rapid switching of optical radiation.
  • a method and an apparatus for carrying out the method are to be specified, are reduced by the disadvantages of the prior art.
  • the method for controlling intensities and / or spectral components of a radiation irradiated into a pinhole comprises the steps A to D, wherein further steps may be carried out in embodiments of the method or at least one of the steps A to D by further (partial) steps can be designed.
  • step A intensities and / or spectral components of the radiation radiated into the pinhole diaphragm are determined as a function of a spatial position of a focal point of the radiation and / or a focal point of a spectral component relative to the pinhole diaphragm and stored as measured values.
  • the measured values are advantageously repeatedly retrievable.
  • Empirically collected data and / or simulation data can be used as measured values.
  • a desired intensity to be irradiated and / or a spectral component or spectral components of the radiation are selected.
  • the desired intensity to be irradiated and / or the spectral component of the radiation can also be referred to as the intensity to be currently irradiated and / or the spectral portion of the radiation currently to be irradiated, henceforth also briefly the current intensity or current spectral component.
  • a focus point is selected in step C, which leads to the irradiation of the current intensity and / or the current spectral component in the pinhole.
  • the radiation and / or spectral components of the radiation are or are focused in the step D in the selected focus point.
  • a controllable optical element or a controllable focusing optics hereinafter also referred to simply as an optical element used.
  • steps B to D can be executed repeatedly with the omission of step A.
  • the step A can be understood as a calibration in which measured values are ascertained and repeatedly retrievably stored for an individual device according to the invention or for a series of devices according to the invention.
  • control can be carried out on the basis of currently measured values, without a calibration being necessary beforehand or without a number of readings being collected and stored. For example, by a user in real time a currently irradiated intensity and / or spectral portion of the radiation can be observed. By shifting the focal point, the user changes the currently irradiated intensity and / or the spectral component of the radiation. In this case, the user evaluates whether, as a result of the displacement of the focal point, a desired irradiated intensity and / or a desired spectral component of the radiation is or will be reached or approximated. Such a refinement of the regulation makes sense, for example, when the irradiated intensity and / or spectral components of the radiation are selected subjectively.
  • a perforated diaphragm is understood as meaning openings such as, for example, holes, slots or differently shaped material breakthroughs.
  • Aperture diaphragms are furthermore light entry surfaces, for example of light-conducting fibers or others
  • Waveguides Furthermore, spatially or spatiotemporally limited detection surfaces of sensors are regarded as pinhole diaphragms.
  • radiation is electromagnetic radiation, such as white light, understood.
  • Spectral components of the radiation are given by at least one wavelength of the radiation.
  • Spectral components of the radiation can also be one or more
  • the actually irradiated intensities and / or spectral components are detected as measured values in step D.
  • the acquired measured values are compared with the desired intensities and / or spectral components, and if the desired and the actual intensities and / or the desired and the actual spectral components deviate, the provided intensity of the radiation, the spectral components and / or the selected focal point is corrected , A correction takes place if the acquired measured values deviate from a predefined setpoint by more than a tolerable threshold defined as permissible or a predetermined one
  • Threshold exceeded or fallen below.
  • the selected focal point can be displaced axially, that is to say along an optical axis extending to the aperture plate.
  • the focal point can also be displaced laterally to the optical axis in order to provide a desired irradiated intensity and / or desired irradiated spectral components of the radiation at the pinhole.
  • Axial and lateral displacements of the focal point can be combined with each other in further embodiments, so that the focal point can be adjusted three-dimensionally.
  • corrections can be made in addition to a control.
  • system-related deviations such as thermally induced drift, aberrations and / or power losses, if known or
  • the radiation is fanned into spectral components and at least one of the spectral components is focused into a focal point. If several spectral components are focused in different focus points, a focal point becomes selected one of the spectral components at which the irradiation is to take place in the pinhole.
  • the radiation may have a longitudinal chromatic aberration as it passes through optical components such as lenses and / or through the controllable optical element.
  • a longitudinal chromatic aberration causes different spectral components to be focused into separate focus points. Each of these focus points can be selected and controlled for the purpose of controlling the intensity to be radiated into the pinhole and / or spectral components shifted.
  • the usually unwanted longitudinal chromatic aberration is advantageously used according to advantageous embodiments of the method according to the invention for controlling the irradiated intensity and / or spectral components.
  • a device for controlling intensities radiated into a pinhole and / or spectral portions of a radiation has at least one light source for providing in each case a radiation or a spectral portion of a radiation.
  • at least one controllable optical element for focusing the radiation or the spectral component is present in a focal point.
  • controllable optical element is connected to the memory unit in a connection suitable for the exchange of data. It is configured such that when a position of the focus point is selected, at least one control command for focusing the radiation or the spectral portion into the selected focus point is generated and output. The optical element is controlled or controlled with this control command such that the radiation or the spectral component is focused or focusable in the selected focus point.
  • a storage unit that is capable of storing spatial locations of the
  • Focusing point of the radiation or the spectral portion is configured relative to the pinhole, is part of a further embodiment of the device.
  • measured values of the intensities and / or spectral components of the radiation radiated into the pinhole diaphragm are assigned and stored to each of the positions.
  • control unit is for controlling the controllable optical element with the memory unit in a connection suitable for exchanging data.
  • a desired current intensity to be radiated into the pinhole and / or the current spectral component of the radiation to be irradiated corresponding measured values and one of these are present
  • Measured values assigned position of the focus point selectable. At least one
  • Selected focus point is generated and the optical element, also referred to as an optical element for short, is controlled with this such that the radiation or the spectral component is focused in the selected focus point.
  • controllable optical element can be followed by further optical lenses, by their joint effect, the focus is effected in the focal point.
  • the optical element can function downstream of the first collimator on the illumination side, by the action of which the rays of the radiation and / or the respective spectral component emitted by the relevant light source are collimated.
  • the optical element can function as the first collimator.
  • Light sources can be, for example, laser sources, for example argon ion lasers,
  • LED Light-emitting diodes
  • lamps such as incandescent lamps, xenon lamps, halogen lamps and mercury-vapor lamps. If laser sources are used as light sources, can emit this radiation of a wavelength or a narrow wavelength range. Alternatively, the laser source or the laser sources can provide radiation of one or more wavelength ranges.
  • the rays are directed by the effect of the first collimator as almost collimated beams on the controllable optical element.
  • Nearly collimated beams are beams that diverge or converge to such an extent that the divergence or convergence (negative divergence) can be compensated by means of the controllable optical element. For example, no portions, in particular of a diverging beam, are directed past the controllable optical element.
  • the controllable optical element may be an adaptive lens or an adjustable focus lens group. Such allows a simple adjustment of the focal length and adjustment of the focus point.
  • the device can have at least one detector, which is arranged in the beam path of the device, for example behind the pinhole.
  • the device it is also possible for components of the radiation to be coupled out and to the
  • the detector can be designed and arranged in such a way that portions of the radiation not radiated into the pinhole diaphragm are detected and from their spectral composition and / or intensity to the intensity of the radiation actually radiated into the pinhole diaphragm and / or Spectral components of the radiation is closed.
  • the properties of the current radiation such as their intensity and spectral composition, are known.
  • the optical element can have an adjustable prismatic effect.
  • the pinhole is arranged in a focal plane.
  • a second collimator is arranged in the beam path.
  • a collimated beam is again provided whose intensity and / or spectral components are regulated.
  • the device is constructed in this embodiment as a telescope. An adaptation of the beam diameter to the size of the entrance aperture of a subsequent system is thus possible.
  • Another possible embodiment of the device has at least two light sources for providing spectral components of the radiation.
  • Each of the light sources is
  • the spectral components are guided along a common beam path to an optical lens, a lens group or a comparable controllable optical element.
  • the spectral components can be focused by means of the respective controllable optical elements and the optical lens.
  • the controllable optical element may be formed as an adaptive optical lens. Such may, for example, be based on one of the following modes of operation.
  • the lens is formed by volumes of two liquids that are not miscible with each other, have different refractive indices.
  • the shape of the interface between the volumes may be changed by applying and adjusting an electric voltage.
  • the curvature of the lens can by applying and
  • the optical lens is made of an elastic material whose curvature can be changed by means of mechanical tension. Mechanical stresses can be generated for example by an integrated piezoelectric actuator.
  • the controllable optical element can also be designed as an adaptive mirror whose curvature is controlled adjustable.
  • an adaptive mirror can be formed by volumes of two liquids, one of the liquids having a highly reflective effect on the radiation or at least one of the spectral components.
  • the liquids are advantageously not miscible with one another in order to maintain the long-term functioning of the adaptive mirror.
  • the shape of the interface between the volumes may be changed by applying and adjusting an electric voltage.
  • An adaptive mirror may in other embodiments consist of an electroactive polymer or a piezoelectric material whose curvature can be changed by applying and setting an electrical voltage.
  • the mirror can also be designed as a thin reflective membrane with pins arranged on the back side. Opposite the pins a plurality of coils of electrically conductive materials is arranged. By means of the coils electromagnetic forces can be generated, which serve for the controlled deflection of the membrane.
  • the mirror as a thin reflective membrane has these rear side electrodes. Compared to the back electrodes, corresponding electrodes are arranged to deflect the membrane by means of electrostatic forces and to adjust their curvature.
  • the adaptive mirror may also consist of an elastic reflective material whose curvature by means of mechanical stress, the z. B. is generated by a piezoelectric actuator is adjustable.
  • the piezoelectric actuator can be integrated in the membrane.
  • At least one additional optical lens may be arranged in the beam path between the controllable optical element and the pinhole.
  • other lenses, prisms and / or mirrors may be combined with the adaptive optical element. These serve to increase the Einkoppeleffizienz in the pinhole, especially when it is formed by an entrance surface of a photoconductive element such as a photoconductive fiber or a waveguide.
  • the further lenses, prisms and / or mirrors can also serve to adapt the dispersive effect of the adaptive lens or an advantageous spatial arrangement of the optical elements.
  • Lighting module such as a laser module, to provide
  • the lighting module represents, for example, combinations of different
  • Laser wavelengths fiber-coupled available. For each wavelength, a laser as a light source is integrated into the lighting module. If the laser is not directly modulatable, must an AOTF or an AOM are used. For these lasers, the invention described here could be used before the first fiber coupling and replace an AOTF at the fiber output.
  • the device according to the invention can also be regarded as an optical power modulator, in which a combination of a controllable optical element and a spatial filter in the form of the pinhole is realized.
  • the solution which is illustrated by means of various embodiments, offers an easy way of switching, changing the power or the spectral and temporal modulation of radiation, in particular of laser radiation, as well as of spectral components of the radiation.
  • the installation space of the device is smaller than solutions according to the prior art and the device can be manufactured more cheaply.
  • the loss of radiant power is in the device according to the invention.
  • Switching frequencies are thus slower than with AOMs, but faster than discreet mechanical switches or modulators.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can be used for modulation or variation of the power and / or for fast switching of optical radiation.
  • An optical fiber coupling of laser light is advantageously possible.
  • the method and the device can advantageously be used for the automatic adjustment of the x, y and z position, for example, of a fiber coupler. In addition, a simple compensation of thermal or aging drift is possible.
  • the method according to the invention can advantageously be used in a microscope, for example a laser scanning microscope.
  • the method can be used to control the intensity and / or spectral components of an illumination radiation with which a sample to be imaged or a sample region to be imaged is applied.
  • the device according to the invention and the illumination module according to the invention can be part of a microscope, for example a laser scanning microscope.
  • Fig. 1 a is a schematic representation of a first embodiment of a
  • Fig. 1 b is a schematic representation of the first embodiment of a
  • Fig. 2 is a schematic representation of the relationship of input
  • 3a is a schematic representation of a second embodiment of a
  • 3b is a schematic representation of the second embodiment of a
  • Fig. 4 is a schematic representation of the relationship of input and
  • Output intensity of a device according to the invention continuous radiation of control voltages of a controllable optical element
  • Fig. 5a is a schematic representation of a third embodiment of a
  • Fig. 5b is a schematic representation of the third embodiment of a
  • 6a is a schematic representation of a fourth embodiment of a
  • Fig. 6b is a schematic representation of the fourth embodiment of a
  • 7a is a schematic representation of a fifth embodiment of a
  • Fig. 7b is a schematic representation of the fifth embodiment of a
  • Fig. 8a is a schematic representation of a sixth embodiment of a
  • FIG. 8b shows a schematic representation of the sixth exemplary embodiment of a device according to the invention with the position of a focal point of a radiation passing through the device according to the invention before the entrance of a pinhole diaphragm, wherein the focal point is focused by means of an adaptive mirror;
  • 9a is a schematic representation of a first embodiment of a
  • 9b is a schematic representation of the first embodiment of a
  • 10a is a schematic representation of a second embodiment of a
  • 10b is a schematic representation of the second embodiment of a
  • 1 1 a is a schematic representation of a third embodiment of a
  • Fig. 1 1 b is a schematic representation of the third embodiment of a
  • At least one light source 2 for providing in each case a radiation 3 or a spectral portion 4 (see FIGS. 5 a and 5 b and 7 a to 10 b) of a radiation 3, at least one controllable optical element 6 for focusing the radiation 3 or the spectral portion 4 in a focus point 7, a pinhole 8, a control unit 10 and a memory unit 1 1 available.
  • the radiation 3 emitted by the light source 2 with an input intensity PO is collimated parallel to an optical axis, shown as a dot-dash line, by means of a first collimator 5.1.
  • the collimated radiation 3 strikes the controllable optical element 6 which, according to FIG. 1 a, is controlled by the control unit 10 in such a way that the focal length of the optical element 6 is the distance between it and the pinhole 8, which acts as a fiber input 9.1 of a light-conducting fiber 9 is formed, corresponds.
  • the Collimated radiation 3 is focused by means of the optical element 6 on the optical axis in a focal point 7, which coincides with the pinhole 8, here the fiber input 9.1.
  • At the other end of the fiber 9 is the radiation 3 with a
  • the optical element 6 is designed as an adaptive lens, which is variable in its shape controlled by application of electrical voltages, for example the voltages Ui or U2.
  • the change in shape causes a change in the
  • the memory unit 1 which is in communication with the control unit 10, is configured to retrievably store spatial positions of the focal point 7 of the radiation 3 or the spectral portion 4 relative to the pinhole 8. Each of the positions is
  • the control unit 10 which is exemplified by an adjustable voltage source and electrically conductive connections, serves to control the optical element 6.
  • the device 1 is exemplary for all
  • Embodiments as part of a schematically shown microscope M for example, a laser scanning microscope shown.
  • Fig. 1 a the actual shape of the optical element 6 is shown by the position of the planes H and H 'relative to each other.
  • the pinhole 8 is in a current focal plane
  • the radiation 3 is irradiated with the input intensity P in the pinhole 8.
  • the controllable optical element 6 can be controlled by means of two control units 10.
  • Focusing point 7 is shifted along the optical axis.
  • the radiation power here the
  • Input intensity PO which is coupled into the acting as a pinhole 8 fiber input 9.1 of the fiber 9, to be changed.
  • the output intensity P can thus be modulated.
  • the axial positional tolerance of the optical element 6 serving as the focusing optical system can be corrected if necessary.
  • U2 (FIG. 1 b)
  • U2 (FIG. 1 b)
  • Focus point 7 and pinhole 8 only a smaller proportion of the radiation 3 or no radiation 3 is irradiated into the pinhole 8 or einstrahlbar.
  • the lower power consumption in the defocused state leads to a reduction
  • thermal effects for example in the fiber 9 and / or downstream components.
  • the specific position of the focal point 7 is selected and set as a function of a desired intensity (input intensity PO) currently to be irradiated in the pinhole 8 and / or the spectral portion 4 of the radiation 3 to be irradiated.
  • a desired intensity input intensity PO
  • corresponding measured values stored in the memory unit 1 1 and a position of the focal point 7 associated therewith are selected and at least one control command for focusing the radiation 3 or the spectral component 4 into the selected focal point 7 is generated at least by means of the control unit 10.
  • the control command is the optical
  • Element 6 is controlled such that the radiation 3 or the spectral component 4 is focused in the selected focus point 7.
  • the optical element 6 is designed as an adaptive lens with adjustable focal length and additional adjustable prismatic effect.
  • the collimated radiation 3 is completely irradiated into the pinhole 8 via the optical element 6 and coupled into the fiber 9 (FIG. 3 a).
  • the optical element 6 can be controlled by means of a control unit 10 which, for the simultaneous transmission of two control commands to the optical
  • Element 6 is formed. Due to the control commands are, for example, at two oppositely arranged pairs of electrodes each electrical
  • the injected radiation power here the input intensity PO
  • the adjustable prismatic effect of the optical element 6 can be used to displace the focal point 7 laterally relative to the optical axis (FIG. 3b).
  • the proportion of coupled radiation 3, and thus the incident input intensity PO can be changed.
  • the change in the lateral and / or axial position of the focus point 7 can also be used to adjust the adjustment degrees of freedom for the fiber coupling.
  • Ratio of voltage applied to the optical element 6 electrical voltages U1 and U2 of the second embodiment is shown schematically in FIG.
  • the peak of the curve is associated with a ratio of the voltages Ui and U2, in which the focal length of the optical element 6 falls exactly in the focal plane at the fiber input 9.1 and the ratio P / PO is maximum, as shown for example in Fig. 3a.
  • the ratio P / PO is smaller (see FIG. 3b).
  • FIGS. 5a and 5b An exemplary embodiment is indicated in FIGS. 5a and 5b.
  • the optical element 6 is designed as an adaptive lens with adjustable prismatic effect or as an adaptive lens system with adjustable prismatic effect.
  • the first collimators 5.1 are not shown.
  • a bundle of collimated radiation 3 comprising a number of different ones
  • Wavelengths is directed obliquely to the optical axis of the optical element 6 and falls obliquely on this one.
  • the incident radiation 3 is focused, whereby it comes by occurring color longitudinal and lateral chromatic aberration for splitting the radiation 3 into spectral components 4 of the radiation 3.
  • spectral components 4B, 4G and 4R are shown, the spectral component 4B being a component of blue light, the spectral component 4G a component of green light and the spectral component 4R a component of red light.
  • the spectral component 4B is in a focal point 7B, the spectral component 4G is focused into a focal point 7G and the spectral component 4R is focused into a focal point 7R, which are spatially separated from one another.
  • the position of the focus point 7G is chosen such that the optical element 6 is controlled by the control units 10 that the focal point 7G falls on the fiber input 9.1 and the spectral component 4G of the green light is completely radiated into the pinhole 8, while the spectral components 4B and 4R do not fall into the pinhole 8. Accordingly, at the other end of the fiber 9, a spectral component 4G with an output intensity PG is available.
  • the desired combination is selected from the measured values and positions stored in the memory unit 11, and corresponding control commands are transmitted to the optical element 6 by the control units 10.
  • the position of each of the focus points 7B, 7G and 7R is shifted laterally and / or axially.
  • the desired spectral component 4 for example the spectral component 4R, is irradiated into the pinhole 8, while the spectral components 4B and 4G do not fall into the pinhole 8 (FIG. 5b).
  • the spectral component 4R with an output intensity PR is available.
  • the coupled-in spectral component 4B, 4G or 4R can be varied.
  • the adaptation of the optical effect of the optical element 6 takes place in the example shown in FIG. 5a, 5b by adjusting the voltages Ui, U2 of the electrodes (not shown in detail), which are arranged radially at an interface GF two liquids.
  • the optical element 5 is formed by the two immiscible liquids.
  • a fourth embodiment the use of occurring longitudinal chromatic aberration is also provided.
  • collimated radiation falls along the optical axis onto the optical element 6, which in turn is designed as an adaptive lens with adjustable prismatic effect.
  • the first collimators 5.1 are again not shown.
  • the focal length of the optical element 6 is set in an operating state of the device 1 according to FIG. 1 such that the focal point 7G of the spectral component 4G is directed into the focal plane, which coincides with the pinhole 8.
  • the focal point 7R is directed into the pinhole 8, so that only this spectral component 4R is irradiated into the fiber input 9.1 and at the other end of the output fiber 9 the spectral component 4R with the output intensity PR is available.
  • Integrated detector 17 for determining the focus position see, for example, Fig. 6a and 6b.
  • the device 1 is constructed as a telescope in a fifth embodiment (FIGS. 7a and 7b).
  • the radiation 3 is collimated, guided along the optical axis and focused in a focal plane or focal plane 13, in which the pinhole 8 is located.
  • the arranged in the focal plane 13 pinhole 8 is formed as a plate with an opening 8.1.
  • the focal point 7 is focused on the optical axis in the pinhole 8, so that the radiation 3 with the input intensity PO
  • a second collimator 5.2 is arranged with a fixed focal length, by the effect of which the incoming from the pinhole 8 diverging radiation 3 is again collimated and guided along the optical axis.
  • the Output intensity P in the ideally adopted device 1 corresponds to the input intensity PO.
  • optical element 6 By controlling the optical element 6 can be changed via the controlled change in its focal length and / or the prismatic effect of the transmitted radiation component.
  • a corresponding activation of the optical element 6 leads, for example, to a lateral displacement of the position of the focal point 7 out of the region of the opening 8. 1 of the perforated diaphragm 8. As a result, no radiation 3 enters the
  • Aperture 8 more precisely into the opening 8.1 of the aperture plate 8, irradiated.
  • FIG. 8a and 8b another possible embodiment of the device 1 is shown schematically.
  • the optical element 6 is designed as an adaptive mirror 16 whose surface shape, in particular the reflective surface of the adaptive mirror 16, is adjustable by means of the control unit 10.
  • the mirror 16 is used to change or modulate the power of a beam of the collimated radiation 3.
  • the collimated radiation 3 is incident obliquely on the adaptive mirror 16.
  • the inclination of the mirror 16 is adjusted so that at
  • Focal length also detected and / or simulated aberrations (primarily astigmatism and coma) can be corrected.
  • FIGS. 9a and 9b show a first exemplary embodiment of a lighting module 12 according to the invention, in which four light sources 2.1 to 2.4 are present, which each provide a spectral component 4.
  • a first light source 2.1 represents the spectral portion 4B of blue light
  • a second light source 2.2 the spectral portion 4G of green light
  • a third light source 2.3 the spectral portion 4Y yellow light
  • a fourth light source 2.4 the spectral
  • Input intensity of the blue spectral component 4B, POG the input intensity of the green spectral component 4G, POY the input intensity of the yellow spectral component 4Y and POR are the input intensity of the red spectral component 4R.
  • spectral components 4B, 4G, 4Y and 4R are according to their respective
  • Light source 2.1, 2.2, 2.3 or 2.4 coupled into a light-conducting input fiber 9E.
  • Each input fiber 9E is arranged downstream of a separate optical element 6, which is in each case controllable by means of a control unit 10 and in each case as a first
  • Collimator 5.1 is used.
  • a control unit 10 is present per optical element 6.
  • at least one control unit 10 for controlling a plurality or all of the existing optical elements 6 may be present.
  • Each optical element 6 acts as a first collimator 5.1 for the divergently emerging from the input fiber 9E spectral component 4B, 4G, 4Y or 4R (only once each).
  • the collimated beams of the spectral components 4B, 4G, 4Y and 4R are combined by means of a mirror staircase 15 formed from spectrally matched dichroic beam splitters and as radiation 3 by means of an optical lens 14 in the focal point 7 on the acting as a pinhole 8 fiber input 9.1 another fiber. 9 focused.
  • the output intensity P of the radiation 3 available at the other end of the further fiber 9 is composed of the output intensities PB, PG, PY and PR (not shown here) and can be simplified as the sum of the
  • Input intensities POB, POG, POY and POR are considered.
  • Controlled elements 6 of the respective beam paths and their focal length changed so that they meet after leaving the mirror staircase as diverging rays on the optical lens 14 and are not focused on the fiber input 9.1.
  • the spectral components 4, which are coupled into the fiber 9, are independently adjustable by changing the voltage Ui to LU of the individual optical elements 6 / collimators 5.1.
  • Wavelengths here referred to as spectral components 4B, 4G, 4Y and 4R, and the coupling of a single wavelength in the form of the spectral component 4B shown.
  • any mixtures of different spectral components 4 can be accomplished.
  • a reduction in the incident intensity in the pinhole 8 is possible by a controlled defocusing, as described in principle to Fig. 1 a and 1 b.
  • the device 1 and the illumination module 12 are shown by way of example as part of a schematically shown microscope M, for example a laser scanning microscope.
  • a first collimator 5.1 is arranged in each beam path of the spectral components 4B, 4G, 4Y and 4R, by means of which effect the respective spectral components 4B, 4G diverging from the fiber 9 divergently , 4Y and 4R, respectively, are converted into collimated radiation beams, which are subsequently combined via the mirror staircase 15 into a radiation 3.
  • the collimated radiation 3 is directed to the optical element 6, whose
  • Focal length is set such that the radiation 3 is directed into the focal point 7, which is located on the acting as a pinhole 8 fiber input 9.1. It is therefore the entire radiation 3 irradiated in the pinhole 8.
  • Fig. 10b shows an operating state of that described with reference to Fig. 10a
  • Illumination module 12 in which the optical element 6 is driven and whose focal length is reduced, so that the focal point 7 is in front of the pinhole 8. There is therefore little or no radiation 3 irradiated in the pinhole 8.
  • all activated laser wavelengths ie spectral components 4B, 4G, 4Y and 4R, can be modulated simultaneously.
  • Implemented illumination module 12 which is shown in Figs. 1 1 a and 1 1 b.
  • the spectral components 4 in this exemplary embodiment the spectral components 4B, 4G and 4R, are brought together by means of the mirror steps 15 and are directed onto the optical axis 6 of the optical element 6 as nearly collimated beams. The almost collimated beam can be compensated by means of the optical element 6.
  • the optical element 6 is provided with an adaptive lens (shown as indicated), the focal lengths of the optical element 6 being adjusted by a controlled change, in particular of the shape of the adaptive lens.
  • the device 1 or the illumination module 12 can be set such that only a single spectral component 4B, 4G or 4R is coupled in.
  • the first collimator 5.1 also referred to as bias optics
  • wavelengths can be almost collimated, ie only slightly diverge or converge (see above).
  • biasing or “optical biasing”. This allows z. For example, switching between different multi-wavelength combinations (eg three spectral components 4 at one focal point 7 and two spectral components 4 at another focal point 7).
  • An illumination module 12 described with reference to FIGS. 9a to 11b permits a high degree of flexibility with regard to the possible combinations of the spectral components 4.
  • step A the radiation 3 is focused into a multiplicity of focus points 7 and the actual intensity irradiated into the pinhole 8 and, in fact, an irradiated spectral component 4 is detected by detecting the output intensity P, for example measured.
  • the position of the focus point 7 and the associated output intensity P are stored together with those parameters of the control command on the basis of which the corresponding focus point 7 is set.
  • step B a desired intensity and / or spectral portion 4 of the radiation 4 to be currently irradiated is selected.
  • step C based on the determined and stored measured values, a focal point 7 is selected which leads to the irradiation of the desired actual intensities and / or spectral components 4 in the pinhole 8. These are the desired current
  • Intensity and / or the spectral portion 4 entered via a user interface and compared with the measured values of the memory unit 1 1. If the positions of the focal point 7 are found which leads to the desired intensity and / or spectral component 4 to be irradiated, the control unit 10 is activated
  • the light source 2 can be controlled by the control unit 10 in order to control its power and / or spectral composition of the radiation 3 provided.
  • the spectral components 4G and 4R are to be irradiated in succession. Therefore, the position of the focal point 7G is determined on the basis of the detected measured values and transmitted to the optical element 6 by the control unit 10, due to which a voltage Ui is applied to the optical element 6 and the focus point 7G is directed towards the fiber input 9.1. Due to the occurring
  • Farblteils are the focus points 7B and 7R (not shown) of the other spectral components 4B and 4R axially so far away from the fiber input 9.1 that they are not irradiated.
  • the spectral component 4R is to be coupled into the fiber 9.
  • the corresponding position of the focal point 4R is selected and the optical element 6 is controlled such that the focal point 7R now exactly coincides with the fiber input 9.1.
  • the focal points 7B and 7G are displaced axially from the fiber input 9.1 so far that the spectral components 4B and 4G are not coupled in (FIG. 6b).
  • Lighting modules 12 are within the skill of one another

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung von in eine Lochblende(8) eingestrahlten Intensitäten(P0) und/oder spektralen Anteilen(4) einer Strahlung(3), umfassend Schritte A bis D. In dem Schritt A werden in die Lochblende(8) eingestrahlte Intensitäten(P0) und/oder spektrale Anteile(4) der Strahlung(3) in Abhängigkeit einer räumlichen Position eines Fokuspunkts(7) der Strahlung(3) und/oder eines Fokuspunkts(7B,7G,7Y,7R) eines spektralen Anteils(4) relativ zur Lochblende(8) ermittelt und als Messwerte gespeichert. In Schritt B wird eine gewünschte einzustrahlende Intensität und/oder spektrale Anteile(4) der Strahlung(3) ausgewählt und in Schritt C wird anhand der ermittelten Messwerte ein Fokuspunkt(7) ausgewählt, der zur Einstrahlung der gewünschten Intensitäten und/oder spektralen Anteile(4) in die Lochblende(8) führt. Die Strahlung(3) und/oder spektrale Anteile(4) der Strahlung(3) werden mittels eines ansteuerbaren optischen Elements(6) in den ausgewählten Fokuspunkt(7) fokussiert. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung(1) zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Beleuchtungsmodul(12)umfassend eine erfindungsgemäße Vorrichtung(1)und ein Mikroskop(M).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von in eine Lochblende eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteilen einer Strahlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Intensitäten und/oder spektralen Anteilen einer Strahlung, die in eine Lochblende eingestrahlt werden beziehungsweise eingestrahlt werden sollen.
Zur Änderung oder zur Modulation optischer Strahlungsleistungen werden häufig
akustooptische Modulatoren (AOM) verwendet. Diese AOM bestehen im Wesentlichen aus einem Kristall, in dem eine Schallwelle erzeugt werden kann. Die aus einer erzeugten Schallwelle resultierende periodische Änderung des Brechungsindex des AOM wirkt als ein dickes Beugungsgitter, dessen Gitterkonstante durch die Wellenlänge der Schallwelle einstellbar ist. Trifft kollimierte Strahlung auf den AOM auf, wird diese in den AOM
eingekoppelt und hauptsächlich in die 0. sowie die +1 . oder -1 . Ordnung gebeugt. Die Intensität der in eine der ersten Beugungsordnungen abgelenkten Strahlung ist abhängig von der Wellenlänge der Schallwelle im Kristall sowie dem Einfallswinkel und der Wellenlänge der optischen Strahlung. Je nach Schallwellenlänge und in Kombination mit der Länge eines akustooptischen Kristalls sowie der Variation des Brechungsindex durch die akustische Welle kann der Modulator im Bragg-Regime (AOM) oder im Raman-Nath-Regime (AOTF) betrieben sein.
Seltener werden zu diesem Zweck elektrooptische Modulatoren (EOM) eingesetzt, die aus einem doppelbrechenden Kristall (z.B. Lithiumniobat) bestehen. Die Wirkung der EOM basiert primär auf dem sogenannten Pockels-Effekt. Durch ein elektrisches Feld mit entsprechender Ausrichtung lässt sich die Polarisation auftreffender Strahlung ändern. Mit einem nachgeschalteten Polarisationsfilter ist die transmittierte Leistung der Strahlung über eine angelegte elektrische Spannung einstellbar. Ein weiterer nutzbarer elektrooptischer Effekt ist der Kerr-Effekt, der in der Kerr-Zelle, einem weiteren EOM, zum Einsatz kommt.
Modulierte Ausdehnungsänderungen von Piezokristallen können auch auf andere Medien übertragen werden, wodurch Phasengitter (analog zu den durch Dichteänderungen erzeugten Phasengittern in den Kristallen der AOMs) in den jeweiligen Medien erzeugt werden können, die ebenfalls zur Lichtmodulation verwendet werden können. Als
historisches Beispiel wäre hier der Debye-Sears Tank zu nennen, ein akustooptischer Ultrasoundtank.
Um langsame optische Modulatoren oder Schalter zu realisieren werden Blenden eingesetzt. Diese werden durch eine Kombination von mechanischen Halterungen, Getrieben und Motoren in den Strahlengang beziehungsweise aus dem Strahlengang gefahren, um die Leistung zu verändern.
Verschiedene Möglichkeiten der Modulation von Beleuchtungsstrahlung beziehungsweise Detektionsstrahlung sind beispielsweise in der CA 2 307 315 C angegeben.
Periodisch betriebene mechanische Vorrichtungen (chopper, angetriebene
Sektorenscheiben, turbine-driven sector discs) erlauben einen Übergang von langsamen Modulationen in den MHz-Bereich. Für den höheren MHz-Bereich kommen AOMs, EOMs und intrinsisch modulierte Laserlichtquellen zum Einsatz. Wegen ihrer schnellen
Schalteigenschaften und der Möglichkeit einer gesteuerten Wellenlängenselektion sind AOMs derzeitig immer noch die Modulatoren der Wahl.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass AOMs teuer sind und durch die Trennung des Strahls 1 . Ordnung vom Strahl 0. Ordnung einen großen Bauraum erfordern. Die zur Erzeugung des Beugungsgitters notwendige Vibration des Piezokristalls kann zu Vibrationen im restlichen System führen. Der ungebeugte Teil der Strahlung (0. Ordnung) und höhere Beugungsordnungen lassen sich nicht vollständig vermeiden und führen zu optischen Leistungsverlusten.
EOMs werden üblicherweise mit Hochspannungen betrieben, die aufwendige
Spannungsgeneratoren erfordern. Ein schnelles Schalten führt zu starken Störsignalen, deren Abschirmung einen enormen Aufwand erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zur schnellen Modulation und/oder der Anpassung der Leistung optischer Strahlung oder zum schnellen Schalten optischer Strahlung vorzuschlagen. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden, durch die Nachteile des Standes der Technik reduziert werden.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.
Das Verfahren zur Regelung von in eine Lochblende eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteilen einer Strahlung, umfasst die Schritte A bis D, wobei in Ausgestaltungen des Verfahrens weitere Schritte auszuführen sein können oder wenigstens einer der Schritte A bis D durch weitere (Teil-)schritte ausgestaltet sein kann.
In dem Schritt A werden in die Lochblende eingestrahlte Intensitäten und/oder spektrale Anteile der Strahlung in Abhängigkeit einer räumlichen Position eines Fokuspunkts der Strahlung und/oder eines Fokuspunkts eines spektralen Anteils relativ zur Lochblende ermittelt und als Messwerte gespeichert. Die Messwerte sind vorteilhaft wiederholt abrufbar. Als Messwerte können empirisch erhobene Daten und/oder Simulationsdaten verwendet werden.
In dem Schritt B werden eine gewünschte einzustrahlende Intensität und/oder ein spektraler Anteil beziehungsweise spektrale Anteile der Strahlung ausgewählt. Die gewünschte einzustrahlende Intensität und/oder der spektrale Anteil der Strahlung können auch als aktuell einzustrahlende Intensität und/oder aktuell einzustrahlender spektraler Anteil der Strahlung, fortan auch kurz aktuelle Intensität beziehungsweise aktueller spektraler Anteil, bezeichnet werden.
Anhand der ermittelten Messwerte wird in dem Schritt C ein Fokuspunkt ausgewählt, der zur Einstrahlung der aktuellen Intensität und/oder des aktuellen spektralen Anteils in die Lochblende führt.
Die Strahlung und/oder spektrale Anteile der Strahlung wird beziehungsweise werden in dem Schritt D in den ausgewählten Fokuspunkt fokussiert. Dazu wird vorzugsweise ein ansteuerbares optisches Element oder eine steuerbare Fokussieroptik, nachfolgend vereinfachend auch als optisches Element bezeichnet, verwendet.
Ist der Schritt A ausgeführt und sind die Messwerte ermittelt und gespeichert, können die Schritte B bis D unter Auslassung des Schritts A wiederholt ausgeführt werden.
Der Schritt A kann als Kalibrierung verstanden werden, in dem für eine individuelle erfindungsgemäße Vorrichtung oder für eine Serie erfindungsgemäßer Vorrichtungen Messwerte ermittelt und wiederholt abrufbar gespeichert werden.
Wird keine Regelung umfassend die Schritte A und B ausgeführt, kann eine Regelung anhand aktuell erfasster Messwerte erfolgen, ohne dass vorher eine Kalibrierung durchgeführt wurde beziehungsweise ohne dass eine Anzahl von Messwerten erfasst und gespeichert wurden. Beispielsweise kann durch einen Nutzer in Echtzeit eine aktuell eingestrahlte Intensität und/oder spektralen Anteil der Strahlung beobachtet werden. Durch Verschieben des Fokuspunkts verändert der Nutzer die aktuell eingestrahlte Intensität und/oder den spektralen Anteil der Strahlung. Dabei bewertet der Nutzer, ob infolge des Verschiebens des Fokuspunkts eine gewünschte eingestrahlte Intensität und/oder ein gewünschter spektraler Anteil der Strahlung erreicht wird beziehungsweise werden oder sich einem solchen angenähert wird. Eine solche Ausgestaltung der Regelung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die eingestrahlte Intensität und/oder spektrale Anteile der Strahlung subjektiv ausgewählt wird beziehungsweise werden.
Unter einer Lochblende werden im Sinne dieser Beschreibung Öffnungen wie zum Beispiel Löcher, Schlitze oder anders geformte Materialdurchbrüche verstanden. Lochblenden sind weiterhin Lichteintrittsflächen beispielsweise von lichtleitenden Fasern oder anderen
Wellenleitern. Als Lochblenden werden ferner räumlich oder räumlich-zeitlich begrenzte Detektionsflächen von Sensoren angesehen.
Beispielsweise kann eine aus mehreren ansteuerbaren Sensorelementen
zusammengesetzte Detektionsfläche räumlich-zeitlich dadurch begrenzt sein, dass zu einem betrachteten Zeitpunkt oder Zeitraum alle oder nur ausgewählte Sensorelemente
angesteuert und aktiviert sind.
Als Strahlung wird elektromagnetische Strahlung, beispielsweise weißes Licht, verstanden. Spektrale Anteile der Strahlung sind durch wenigstens eine Wellenlänge der Strahlung gegeben. Spektrale Anteile der Strahlung können auch ein oder mehrere
Wellenlängenbereiche sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden in Schritt D die tatsächlich eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteile als Messwerte erfasst. Die erfassten Messwerte werden mit den gewünschten Intensitäten und/oder spektralen Anteilen verglichen und bei Abweichung der gewünschten und der tatsächlichen Intensitäten und/oder der gewünschten und der tatsächlichen spektralen Anteilen wird die bereitgestellte Intensität der Strahlung, die spektralen Anteile und/oder der ausgewählte Fokuspunkt korrigiert. Eine Korrektur erfolgt, wenn die erfassten Messwerte von einem vorgegebenen Sollwert um mehr als eine als zulässig definierte Toleranzschwelle abweicht oder ein vorgegebener
Schwellwert überschritten beziehungsweise unterschritten wird.
Wie nachfolgend noch näher ausgeführt wird, kann der ausgewählte Fokuspunkt axial, also entlang einer zur Lochblende verlaufenden optischen Achse, verschoben werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Fokuspunkt auch lateral zur optischen Achse verlagert werden, um eine gewünschte eingestrahlte Intensität und/oder gewünschte eingestrahlte spektrale Anteile der Strahlung an der Lochblende bereitzustellen.
Axiale und laterale Verlagerungen des Fokuspunkts können in weiteren Ausgestaltungen miteinander kombiniert werden, sodass der Fokuspunkt dreidimensional eingestellt werden kann.
Neben der Einstellung des Fokuspunkts können neben einer Regelung auch Korrekturen vorgenommen werden. Beispielsweise können systembedingte Abweichungen wie thermisch bedingte Drift, Abbildungsfehler und/oder Leistungsverluste, soweit bekannt oder
abschätzbar, berücksichtigt werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Strahlung in spektrale Anteile aufgefächert und wenigstens einer der spektralen Anteile wird in einen Fokuspunkt fokussiert. Werden mehrere spektrale Anteile in verschiedene Fokuspunkte fokussiert, wird ein Fokuspunkt eines der spektralen Anteile ausgewählt, an dem die Einstrahlung in die Lochblende erfolgen soll.
Beispielsweise kann die Strahlung bei ihrem Durchgang durch optische Bauteile wie Linsen und/oder durch das ansteuerbare optische Element einen Farblängsfehler aufweisen. Ein Farblängsfehler führt dazu, dass verschiedene spektrale Anteile in voneinander getrennte Fokuspunkte fokussiert werden. Jeder dieser Fokuspunkte kann ausgewählt und zum Zwecke der Regelung der in die Lochblende einzustrahlenden Intensität und/oder spektralen Anteile gesteuert verlagert werden. Der üblicherweise ungewollte Farblängsfehler wird gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft zur Regelung der eingestrahlten Intensität und/oder spektralen Anteile genutzt.
Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zur Regelung von in eine Lochblende eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteilen einer Strahlung gelöst. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens eine Lichtquelle zur Bereitstellung jeweils einer Strahlung oder eines spektralen Anteils einer Strahlung auf. Außerdem ist mindestens ein ansteuerbares optisches Element zur Fokussierung der Strahlung oder des spektralen Anteils in einen Fokuspunkt vorhanden. Eine Steuereinheit zur Ansteuerung des
ansteuerbaren optischen Elements steht mit der Speichereinheit in einer zum Austausch von Daten geeigneten Verbindung. Sie ist derart konfiguriert, dass, wenn eine Position des Fokuspunkts ausgewählt ist, wenigstens ein Steuerbefehl zur Fokussierung der Strahlung oder des spektralen Anteils in den ausgewählten Fokuspunkt erzeugt und ausgegeben wird. Das optische Element ist mit diesem Steuerbefehl derart angesteuert beziehungsweise ansteuerbar, dass die Strahlung oder der spektrale Anteil in den ausgewählten Fokuspunkt fokussiert beziehungsweise fokussierbar ist.
Eine Speichereinheit, die zum abrufbaren Speichern von räumlichen Positionen des
Fokuspunkts der Strahlung oder des spektralen Anteils relativ zur Lochblende konfiguriert ist, ist Teil einer weiteren Ausführungsmöglichkeit der Vorrichtung. In der Speichereinheit sind jeder der Positionen Messwerte der in die Lochblende eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteile der Strahlung zugeordnet und gespeichert.
In der Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsmöglichkeit steht die Steuereinheit zur Ansteuerung des ansteuerbaren optischen Elements mit der Speichereinheit in einer zum Austausch von Daten geeigneten Verbindung. In Abhängigkeit einer gewünschten in die Lochblende einzustrahlenden aktuellen Intensität und/oder einzustrahlenden aktuellen spektralen Anteils der Strahlung sind entsprechende Messwerte und eine diesen
Messwerten zugeordnete Position des Fokuspunkts auswählbar. Wenigstens ein
Steuerbefehl zur Fokussierung der Strahlung oder des spektralen Anteils in den
ausgewählten Fokuspunkt ist erzeugt und das optische Element, auch kurz als optisches Element bezeichnet, ist mit diesem derart angesteuert, dass die Strahlung oder der spektrale Anteil in den ausgewählten Fokuspunkt fokussiert ist.
Dem ansteuerbaren optischen Element können weitere optische Linsen nachgeordnet sein, durch deren gemeinsame Wirkung die Fokussierung in den Fokuspunkt bewirkt wird.
Der jeweiligen Lichtquelle ist in einer möglichen Ausführung der Vorrichtung
beleuchtungsseitig ein erster Kollimator nachgeordnet, durch dessen Wirkung die Strahlen der Strahlung und/oder des jeweiligen durch die betreffende Lichtquelle ausgesendeten spektralen Anteils kollimiert wird. Als erster Kollimator kann das optische Element fungieren.
Lichtquellen können beispielsweise Laserquellen, beispielsweise Argonionen-Laser,
Leuchtdioden (LED) oder Lampen wie Glühlampen, Xenonlampen, Halogenlampen sowie Quecksilberdampflampen sein. Werden Laserquellen als Lichtquellen verwendet, können diese Strahlung einer Wellenlänge beziehungsweise eines engen Wellenlängenbereichs abstrahlen. Alternativ kann die Laserquelle beziehungsweise können die Laserquellen Strahlung einer oder mehrerer Wellenlängenbereiche bereitstellen.
In weiteren Ausführungen sind die Strahlen durch Wirkung des ersten Kollimators als nahezu kollimierte Strahlenbündel auf das ansteuerbare optische Element gerichtet. Nahezu kollimierte Strahlenbündel sind Strahlenbündel, die in einem Maße divergieren oder konvergieren, dass die Divergenz beziehungsweise Konvergenz (negative Divergenz) mittels des ansteuerbare optischen Elements ausgleichbar sind. Beispielsweise sind keine Anteile insbesondere eines divergierenden Strahlenbündels an dem ansteuerbaren optischen Element vorbei gerichtet.
Das ansteuerbare optische Element kann eine adaptive Linse oder eine Linsengruppe mit einstellbarer Brennweite sein. Eine solche ermöglicht in einfacher Weise eine Anpassung der Brennweite und eine Einstellung des Fokuspunkts.
Um die tatsächlich eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteile als Messwerte zu erfassen, kann die Vorrichtung mindestens einen Detektor aufweisen, der im Strahlengang der Vorrichtung, beispielsweise hinter der Lochblende, angeordnet ist. Es können in weiteren Ausführungen der Vorrichtung auch Anteile der Strahlung ausgekoppelt und auf den
Detektor gerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Detektor derart ausgebildet und angeordnet ist, dass nicht in die Lochblende eingestrahlte Anteile der Strahlung erfasst werden und aus deren spektraler Zusammensetzung und/oder Intensität auf die tatsächlich in die Lochblende eingestrahlte Intensität der Strahlung und/oder der spektralen Anteile der Strahlung geschlossen wird. Dazu sind vorteilhaft die Eigenschaften der aktuellen Strahlung, wie deren Intensität und spektrale Zusammensetzung, bekannt. Diese können in weiteren Ausführungen mittels weiterer Detektoren erfasst und bereitgestellt werden.
Um einen Fokuspunkt mindestens eines spektralen Anteils der Strahlung in gesteuerter Weise einzustellen kann das optische Element eine einstellbare prismatische Wirkung aufweisen.
In einer weiteren Ausführung der Vorrichtung ist die Lochblende in einer Fokalebene angeordnet. Nach der Fokalebene und in Richtung der Ausbreitung der Strahlung und/oder der spektralen Anteile ist ein zweiter Kollimator im Strahlengang angeordnet. Durch Wirkung des zweiten Kollimators wird nach dem Durchgang der Strahlung beziehungsweise des spektralen Anteils durch die Lochblende wieder ein kollimiertes Strahlenbündel bereitgestellt, dessen Intensität und/oder spektralen Anteile geregelt sind. Die Vorrichtung ist in dieser Ausführung als ein Teleskop aufgebaut. Eine Anpassung des Strahldurchmessers an die Größe der Eintrittsblende eines nachfolgenden Systems ist damit möglich.
Eine weitere mögliche Ausführung der Vorrichtung weist mindestens zwei Lichtquellen zur Bereitstellung spektraler Anteile der Strahlung auf. Jeder der Lichtquellen ist
beleuchtungsseitig ein ansteuerbares optisches Element nachgeordnet. Die spektralen Anteile sind entlang eines gemeinsamen Strahlengangs auf eine optische Linse, eine Linsengruppe oder ein vergleichbares ansteuerbares optisches Element geführt. Die spektralen Anteile sind gesteuert mittels der jeweiligen ansteuerbaren optischen Elemente und der optischen Linse fokussierbar. Eine solche Vorrichtung bietet eine Reihe von
Möglichkeiten zur Auswahl spektraler Anteile sowie derer jeweiligen Intensitäten.
Das ansteuerbare optische Element kann als eine adaptive optische Linse ausgebildet sein. Eine solche kann beispielsweise auf einer der folgenden Funktionsweisen basieren. Die Linse ist durch Volumina zweier Flüssigkeiten gebildet, die nicht ineinander mischbar sind, unterschiedliche Brechungsindizes besitzen. Die Form der Grenzfläche zwischen den Volumina kann durch Anlegen und Einstellen einer elektrischen Spannung geändert werden.
Es ist auch möglich, dass die Linse aus einem elektroaktivem Polymer oder einem
piezoaktivem Material gebildet ist. Die Krümmung der Linse kann durch Anlegen und
Einstellen einer elektrischen Spannung geändert werden.
In einer weiteren Ausführung besteht die optische Linse aus einem elastischen Material, dessen Krümmung mittels mechanischer Spannung geändert werden kann. Mechanische Spannungen können beispielsweise durch einen integrierten Piezoaktor erzeugt werden.
Das ansteuerbare optische Element kann auch als ein adaptiver Spiegel ausgebildet sein, dessen Krümmung gesteuert einstellbar ist.
Beispielsweise kann ein adaptiver Spiegel durch Volumina zweier Flüssigkeiten gebildet sein, wobei eine der Flüssigkeiten für die Strahlung oder wenigstens einen der spektralen Anteile stark reflektierend wirkt. Die Flüssigkeiten sind vorteilhaft nicht ineinander mischbar, um die Funktionstüchtigkeit des adaptiven Spiegels langfristig aufrecht zu erhalten. Die Form der Grenzfläche zwischen den Volumina kann durch Anlegen und Einstellen einer elektrischen Spannung geändert werden.
Ein adaptiver Spiegel kann in weiteren Ausführungen aus einem elektroaktivem Polymer oder einem piezoelektrischen Material bestehen, dessen Krümmung durch Anlegen und Einstellen einer elektrischen Spannung geändert werden kann.
Der Spiegel kann auch als dünne reflektierende Membran mit rückseitig angeordneten Stiften ausgeführt sein. Gegenüber den Stiften ist eine Vielzahl von Spulen aus elektrisch leitenden Materialien angeordnet. Mittels der Spulen sind elektromagnetische Kräfte erzeugbar, die zum gesteuerten Auslenken der Membran dienen.
In einer anderen Ausführungsform des Spiegels als dünne reflektierende Membran weist diese rückseitig angeordnete Elektroden auf. Gegenüber den rückseitigen Elektroden sind korrespondierende Elektroden angeordnet, um mittels elektrostatischer Kräfte die Membran auszulenken und deren Krümmung einzustellen.
Der adaptive Spiegel kann auch aus einem elastischen reflektierenden Material bestehen, dessen Krümmung mittels mechanischer Spannung, die z. B. durch einen Piezoaktor erzeugt wird, einstellbar ist. Der Piezoaktor kann in die Membran integriert sein.
Im Strahlengang zwischen dem ansteuerbaren optischen Element und der Lochblende kann mindestens eine zusätzliche optische Linse angeordnet sein. Außerdem können weitere Linsen, Prismen und/oder Spiegel mit dem adaptiven optischen Element kombiniert werden. Diese dienen der Erhöhung der Einkoppeleffizienz in die Lochblende, insbesondere wenn diese durch eine Eintrittsfläche eines lichtleitenden Elements wie eine lichtleitenden Faser oder ein Wellenleiter gebildet ist. Die weiteren Linsen, Prismen und/oder Spiegel können auch der Anpassung der dispersiven Wirkung der adaptiven Linse oder einer vorteilhaften räumlichen Anordnung der optischen Elemente dienen.
Die Vorrichtung in einer ihrer Ausführungsformen kann Bestandteil eines
Beleuchtungsmoduls, beispielsweise eines Lasermoduls, zur Bereitstellung von
unterschiedlichen spektralen Anteilen (z. B. unterschiedlicher Wellenlängen) sein.
Das Beleuchtungsmodul stellt beispielsweise Kombinationen verschiedener
Laserwellenlängen fasergekoppelt zur Verfügung. Für jede Wellenlänge ist ein Laser ais Lichtquelle in das Beleuchtungsmodul integriert. Ist der Laser nicht direkt modulierbar, muss ein AOTF oder ein AOM zum Einsatz kommen. Für diese Laser könnte vor der ersten Faserkopplung die hier beschriebene Erfindung zum Einsatz kommen und einen AOTF am Faserausgang ersetzen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als ein optischer Leistungsmodulator angesehen werden, bei dem eine Kombination eines ansteuerbaren optischen Elements und eines Raumfilters in Form der Lochblende realisiert ist.
Die Lösung, die anhand verschiedener Ausführungsvarianten dargestellt ist, bietet eine einfache Möglichkeit zum Schalten, zur Leistungsänderung oder der spektralen und zeitlichen Modulation von Strahlung, insbesondere von Laserstrahlung, sowie von spektralen Anteilen der Strahlung. Der Bauraum der Vorrichtung ist gegenüber Lösungen gemäß dem Stand der Technik kleiner und die Vorrichtung kann preiswerter hergestellt werden.
Der Verlust von Strahlungsleistung ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beziehungsweise mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geringer als bei einer
Kombination von AOM und Faserkoppler. Je nach Ausführungsform kann die Leistung mehrerer Wellenlängen gleichzeitig geschaltet werden. Außerdem sind keinerlei Störungen bei EMV-Messungen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) zu erwarten, da die verwendeten Spannungen niedrig sind.
Mit derzeit verfügbaren adaptiven Linsen sind maximale Schaltfrequenzen im unteren kHz- Bereich erreichbar. Verfügbare adaptive Spiegel wurden in Demonstratoren mit
Resonanzfrequenzen von maximal 150 kHz eingesetzt. Momentan sind adaptive Spiegel mit Schaltfrequenzen von maximal 2 kHz am Markt erhältlich. Die realisierbaren
Schaltfrequenzen sind damit langsamer als bei AOMs, aber schneller als bei diskret aufgebauten mechanischen Schaltern oder Modulatoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können zur Modulation oder Variation der Leistung und/oder zum schnellen Schalten optischer Strahlung verwendet werden. Vorteilhaft ist eine Lichtleiterkopplung von Laserlicht möglich. Das Verfahren und die Vorrichtung können vorteilhaft zur automatischen Justierung der x-, y und z-Position beispielsweise eines Faserkopplers verwendet werden. Zusätzlich ist eine einfache Kompensation von thermischer oder alterungsbedingter Drift möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft in einem Mikroskop, beispielsweise einem Laser- Scanning-Mikroskop, einsetzbar. Zum Beispiel kann das Verfahren zur Regelung der Intensität und/oder spektralen Anteile einer Beleuchtungsstrahlung eingesetzt werden, mit der eine abzubildende Probe oder ein abzubildender Probenbereich beaufschlagt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul können Bestandteil eines Mikroskops, beispielsweise eines Laser-Scanning-Mikroskops, sein.
Weitere Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung bestehen darin, dass Toleranzen in der eingestellten Brennweite, der prismatischen Wirkung, Positionstoleranzen der (optischen) Elemente und Auswirkungen aufgrund sich ändernder Umgebungsbedingungen durch das adaptive optische Element zumindest teilweise korrigiert werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Mikroskop mit der Lage eines Fokuspunkts am Eingang einer Lochblende; Fig. 1 b eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage des Fokuspunkts entfernt vom Eingang der Lochblende;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs von Eingangs- und
Ausgangsintensität einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufende Strahlung von einer Steuerspannung eines ansteuerbaren optischen Elements;
Fig. 3a eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts am Eingang einer Lochblende;
Fig. 3b eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage des Fokuspunkts entfernt vom Eingang der Lochblende;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Zusammenhangs von Eingangs- und
Ausgangsintensität einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung von Steuerspannungen eines ansteuerbaren optischen Elements;
Fig. 5a eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 5b eine schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines anderen spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 6a eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 6b eine schematische Darstellung des vierten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines anderen spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 7a eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 7b eine schematische Darstellung des fünften Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung neben dem Eingang einer Lochblende;
Fig. 8a eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende, wobei der Fokuspunkt mittels eines adaptiven Spiegels fokussiert ist und Fig. 8b eine schematische Darstellung des sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung vor dem Eingang einer Lochblende, wobei der Fokuspunkt mittels eines adaptiven Spiegels fokussiert ist;
Fig. 9a eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls in einem Mikroskop mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 9b eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 10a eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufende Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 10b eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung vor dem Eingang einer Lochblende;
Fig. 1 1 a eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufende Strahlung am Eingang einer Lochblende;
Fig. 1 1 b eine schematische Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Lage eines Fokuspunkts eines anderen spektralen Anteils einer die erfindungsgemäße Vorrichtung durchlaufenden Strahlung vor dem Eingang einer Lochblende;
Die Ausführungsbeispiele sind anhand schematischer Darstellungen erläutert, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche technische Elemente bezeichnen.
Als wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind mindestens eine Lichtquelle 2 zur Bereitstellung jeweils einer Strahlung 3 oder eines spektralen Anteils 4 (siehe Fig. 5a und 5b sowie 7a bis 10b) einer Strahlung 3, mindestens ein ansteuerbares optisches Element 6 zur Fokussierung der Strahlung 3 oder des spektralen Anteils 4 in einen Fokuspunkt 7, eine Lochblende 8, eine Steuereinheit 10 und eine Speichereinheit 1 1 vorhanden.
Die von der Lichtquelle 2 mit einer Eingangsintensität PO ausgesandte Strahlung 3 wird parallel zu einer optischen Achse, die als Punkt-Strich-Linie gezeigt ist, mittels eines ersten Kollimators 5.1 kollimiert. Die kollimierte Strahlung 3 trifft auf das ansteuerbare optische Element 6, das gemäß Fig. 1 a derart durch die Steuereinheit 10 angesteuert ist, dass die Brennweite des optischen Elements 6 der Distanz zwischen dieser und der Lochblende 8, die als ein Fasereingang 9.1 einer lichtleitenden Faser 9 ausgebildet ist, entspricht. Die kollimierte Strahlung 3 wird mittels des optischen Elements 6 auf der optischen Achse in einen Fokuspunkt 7 fokussiert, der mit der Lochblende 8, hier dem Fasereingang 9.1 , zusammenfällt. Am anderen Ende der Faser 9 steht die Strahlung 3 mit einer
Ausgangsintensität P zur Verfügung.
Das optische Element 6 ist als eine adaptive Linse ausgebildet, die durch Anlegen elektrischer Spannungen, beispielsweise der Spannungen Ui beziehungsweise U2 in ihrer Form gesteuert veränderlich ist. Die Formänderung bewirkt eine Veränderung der
Brennweite des optischen Elements 6.
Vereinfachend wird angenommen, dass die Eingangsintensität PO bis zum Fokuspunkt 7 und beim Durchtritt durch die Faser 9 nicht abgeschwächt wird und eine Differenz zwischen Eingangsintensität PO und Ausgangsintensität P im Wesentlichen durch die tatsächliche Lage des Fokuspunkts 7 relativ zur Lochblende 8 bestimmt ist. Tatsächlich auftretende und systembedingte Leistungsverluste können erfasst werden und in die Regelung der aktuell einzustrahlenden Intensität und/oder spektralen Anteile 4 eingehen.
Die Speichereinheit 1 1 , die mit der Steuereinheit 10 in Verbindung steht, ist zum abrufbaren Speichern von räumlichen Positionen des Fokuspunkts 7 der Strahlung 3 oder des spektralen Anteils 4 relativ zur Lochblende 8 konfiguriert. Jeder der Positionen ist
mindestens ein Messwert der in die Lochblende 8 eingestrahlten Intensitäten PO und/oder spektralen Anteile 4 der Strahlung 3 zugeordnet und gespeichert. Es ist daher möglich vorherzusagen, welche Intensitäten PO und/oder spektralen Anteile 4 der Strahlung 3 ausgehend von einem bestimmten Fokuspunkt 7 in die Lochblende 8 eingestrahlt wird.
Dabei wird eine aktuelle Ansteuerung der mindestens einen Lichtquelle 2 und die daraus resultierende Eingangsintensität PO berücksichtigt.
Die Steuereinheit 10, die beispielhaft durch eine einstellbare Spannungsquelle und elektrisch leitende Anschlüsse dargestellt ist, dient zur Ansteuerung des optischen Elements 6.
Je nach Betrag der elektrischen Spannung, hier beispielhaft mit U1 beziehungsweise U2 (Fig. 1 b) bezeichnet, die durch die Steuereinheit 10 an dem optischen Element 6 angelegt ist, kann deren Form- und damit deren Brennweite- eingestellt werden.
In den Fig. 1 a und 1 b sowie 8a und 8b ist die Vorrichtung 1 beispielhaft für alle
Ausführungsbeispiele als Bestandteil eines schematisch gezeigten Mikroskops M, beispielsweise eines Laser-Scanning-Mikroskops, dargestellt.
In Fig. 1 a ist die aktuelle Form des optischen Elements 6 durch die Lage der Ebenen H und H' relativ zueinander gezeigt. Die Lochblende 8 ist in einer aktuellen Brennebene
angeordnet, in die die fokussierte Strahlung 3 eingekoppelt wird. Die Strahlung 3 wird mit der Eingangsintensität P in die Lochblende 8 eingestrahlt.
Eingekoppelt, wenn die Brennweite des optischen Elements 6 in den Fasereingang 9.1 fällt (Fig. 3a). Das ansteuerbare optische Element 6 ist mittels zweier Steuereinheiten 10 ansteuerbar.
Bei einer Änderung der Brennweite des optischen Elements 6 wird die Lage des
Fokuspunkts 7 entlang der optischen Achse verschoben. Mittels einer Fokussierung auf die Lochblende 8 oder einer Defokussierung kann die Strahlungsleistung, hier die
Eingangsintensität PO, die in den als Lochblende 8 fungierenden Fasereingang 9.1 der Faser 9 eingekoppelt wird, geändert werden. Die Ausgangsintensität P kann somit moduliert werden. Weiterhin kann die axiale Positionstoleranz des als Fokussieroptik dienenden optischen Elements 6 bei Bedarf korrigiert werden. Wird durch die Steuereinheit 10 eine andere elektrische Spannung, hier mit U2 gekennzeichnet (Fig. 1 b), an das optische Element 6 angelegt, ändern sich dessen Form und Brennweite. Dieser Zustand ist in der Fig. 1 b durch einen größeren Abstand der Ebenen H und H' relativ zueinander veranschaulicht. Der Fokuspunkt 7 der nun defokussierten Strahlung 3 liegt nun vor der Lochblende 8, sodass in Abhängigkeit der Distanz von
Fokuspunkt 7 und Lochblende 8 nur ein geringerer Anteil der Strahlung 3 oder gar keine Strahlung 3 in die Lochblende 8 eingestrahlt wird beziehungsweise einstrahlbar ist. Die im defokussierten Zustand geringere Leistungsaufnahme führt zu einer Reduzierung
thermischer Effekte beispielsweise in der Faser 9 und/oder nachgeordneten Bauteilen.
Die konkrete Lage des Fokuspunkts 7 wird in Abhängigkeit einer gewünschten aktuell in die Lochblende 8 einzustrahlenden Intensität (Eingangsintensität PO) und/oder aktuell einzustrahlenden spektralen Anteils 4 der Strahlung 3 gewählt und eingestellt. Dazu werden entsprechende in der Speichereinheit 1 1 abgelegte Messwerte und eine diesen zugeordnete Position des Fokuspunkts 7 ausgewählt und wenigstens mittels der Steuereinheit 10 wenigstens ein Steuerbefehl zur Fokussierung der Strahlung 3 oder des spektralen Anteils 4 in den ausgewählten Fokuspunkt 7 erzeugt. Mit dem Steuerbefehl wird das optische
Element 6 derart angesteuert, dass die Strahlung 3 oder der spektrale Anteil 4 in den ausgewählten Fokuspunkt 7 fokussiert wird.
Der Zusammenhang von Ausgangsintensität P und Eingangsintensität PO von der an dem optischen Element 6 anliegenden elektrischen Spannung U des ersten Ausführungsbeispiels ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Dem Maximum der Kurve ist eine Spannung U1
zugeordnet, bei der die Brennweite des optischen Elements 6 genau in die Brennebene am Fasereingang 9.1 fällt und das Verhältnis P/PO maximal ist. Diese Situation ist in Fig. 1 a gezeigt. Bei zunehmender Defokussierung infolge des Anlegens geringerer oder höherer Spannungen U ist das Verhältnis P/PO kleiner und der Fokuspunkt 7 fällt nicht mit der Lochblende 8 zusammen (siehe zum Beispiel Fig. 1 b).
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 (Fig. 3a und 3b) ist das optische Element 6 als adaptive Linse mit einstellbarer Brennweite und zusätzlicher einstellbarer prismatischer Wirkung ausgebildet. Die kollimierte Strahlung 3 wird über das optische Element 6 in die Lochblende 8 vollständig eingestrahlt und in die Faser 9 eingekoppelt (Fig. 3a).
In weiteren Ausführungen ist das optische Element 6 mittels einer Steuereinheit 10 ansteuerbar, die zur simultanen Übermittlung zweier Steuerbefehle an das optische
Element 6 ausgebildet ist. Aufgrund der Steuerbefehle liegen beispielsweise an zwei einander gegenüberliegend angeordneten Elektrodenpaaren jeweils elektrischen
Spannungen an, die hier beispielhaft mit U1 und U2 bezeichnet sind.
Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel kann die eingekoppelte Strahlungsleistung, hier die Eingangsintensität PO, durch eine gesteuerte Änderung der Brennweite und der Lage des Fokuspunkts 7 gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist die einstellbare prismatische Wirkung des optischen Elements 6 nutzbar, um den Fokuspunkt 7 lateral zur optischen Achse zu verschieben (Fig. 3b).
Mit der lateralen Verschiebung ist der Anteil eingekoppelter Strahlung 3, und somit die eingestrahlte Eingangsintensität PO, änderbar. Die Änderung der lateralen und/oder axialen Position des Fokuspunkts 7 kann außerdem zur Einstellung der Justagefreiheitsgrade für die Faserkopplung verwendet werden.
Der Zusammenhang von Ausgangsintensität P und Eingangsintensität PO von dem
Verhältnis der an dem optischen Element 6 anliegenden elektrischen Spannungen U1 und U2 des zweiten Ausführungsbeispiels ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Dem Peak der Kurve ist ein Verhältnis der Spannungen Ui und U2 zugeordnet, bei der die Brennweite des optischen Elements 6 genau in die Brennebene am Fasereingang 9.1 fällt und das Verhältnis P/PO maximal ist, wie dies beispielsweise in Fig. 3a gezeigt ist. Bei zunehmender Defokussierung, die bei Anliegen geringerer oder höherer Spannungen U auftritt, ist das Verhältnis P/PO kleiner (siehe Fig. 3b).
Es ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 möglich, auftretende Farblängs- und/oder Farbquerfehler des optischen Elements 6 zu nutzen, um unterschiedliche spektrale Anteile 4 einzustrahlen und diese zu ändern oder zu modulieren.
Ein Ausführungsbeispiel ist in den Fig. 5a und 5b angegeben. Das optische Element 6 ist als adaptive Linse mit einstellbarer prismatischer Wirkung oder als adaptives Linsensystem mit einstellbarer prismatischer Wirkung ausgebildet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die ersten Kollimatoren 5.1 nicht gezeigt.
Ein Bündel der kollimierten Strahlung 3, umfassend eine Anzahl unterschiedlicher
Wellenlängen, ist schräg zur optischen Achse des optischen Elements 6 gerichtet und fällt entsprechend schräg auf dieses ein. Die einfallende Strahlung 3 wird fokussiert, wobei es durch auftretende Farblängs- und Farbquerfehler zur Aufspaltung der Strahlung 3 in spektrale Anteile 4 der Strahlung 3 kommt.
Zur besseren Illustration der spektralen Anteile 4 sind drei spektrale Anteile 4B, 4G und 4R gezeigt, wobei der spektrale Anteil 4B ein Anteil blauen Lichts, der spektrale Anteil 4G ein Anteil grünen Lichts und der spektrale Anteil 4R ein Anteil roten Lichts ist.
Der spektrale Anteil 4B ist in einen Fokuspunkt 7B, der spektrale Anteil 4G ist in einen Fokuspunkt 7G und der spektrale Anteil 4R ist in einen Fokuspunkt 7R fokussiert, die räumlich voneinander getrennt sind.
Durch die Wahl einer bestimmten Position eines der Fokuspunkte 7B, 7G oder 7R ist es möglich, einen entsprechenden spektralen Anteil 4B, 4G oder 4R in die Lochblende 8, die wieder als Fasereingang 9.1 der lichtleitenden Faser 9 ausgebildet ist, einzustrahlen und einzukoppeln.
In Fig. 5a ist die Lage des Fokuspunkts 7G derart gewählt und das optische Element 6 mittels der Steuereinheiten 10 entsprechend angesteuert, dass der Fokuspunkt 7G auf den Fasereingang 9.1 fällt und der spektrale Anteil 4G des grünen Lichts vollständig in die Lochblende 8 eingestrahlt wird, während die spektralen Anteile 4B und 4R nicht in die Lochblende 8 fallen. Entsprechend steht am anderen Ende der Faser 9 ein spektraler Anteil 4G mit einer Ausgangsintensität PG zur Verfügung.
Soll nun ein anderer spektraler Anteil 4 zur Verfügung gestellt werden, wird aus den in der Speichereinheit 1 1 hinterlegten Messwerten und Positionen die gewünschte Kombination ausgewählt und durch die Steuereinheiten 10 entsprechende Steuerbefehle an das optische Element 6 übermittelt. Entsprechend einer daraufhin bewirkten Formänderung des optischen Elements 6 wird die Lage jedes der Fokuspunkte 7B, 7G und 7R lateral und/oder axial verschoben. Der gewünschte spektrale Anteil 4, beispielsweise der spektrale Anteil 4R wird in die Lochblende 8 eingestrahlt, während die spektralen Anteile 4B und 4G nicht in die Lochblende 8 fallen (Fig. 5b). Am anderen Ende der Faser 9 steht der spektrale Anteil 4R mit einer Ausgangsintensität PR zur Verfügung.
Durch den Farbquerfehler beziehungsweise den Farblängsfehler werden jeweils nur ein schmaler spektraler Anteil 4B, 4G oder 4R oder einzelne Wellenlängen der Strahlung 3 in die Lochblende 8 eingestrahlt. Durch Anpassung der Brennweite und der prismatischen Wirkung des optischen Elements 6 kann der eingekoppelte spektrale Anteil 4B, 4G oder 4R variiert werden. Die Anpassung der optischen Wirkung des optischen Elements 6 erfolgt im dargestellten Beispiel gemäß Fig. 5a, 5b durch Anpassung der Spannungen Ui, U2 der Elektroden (nicht näher dargestellt), die radial an einer Grenzfläche GF zweier Flüssigkeiten angeordnet sind. Das optische Element 5 ist durch die beiden nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten gebildet.
In einem vierten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls die Nutzung auftretender Farblängsfehler vorgesehen. In der Fig. 6a fällt kollimierte Strahlung entlang der optischen Achse auf das optische Element 6, das wiederum als adaptive Linse mit einstellbarer prismatischer Wirkung ausgebildet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die ersten Kollimatoren 5.1 wieder nicht gezeigt.
Die Brennweite des optischen Elements 6 ist in einem Betriebszustand der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 derart eingestellt, dass der Fokuspunkt 7G des spektralen Anteils 4G in die Brennebene gerichtet ist, die mit der Lochblende 8 zusammenfällt.
Durch eine entsprechende Ansteuerung des optischen Elements 6 ist in einem zweiten Betriebszustand (Fig. 6b) der Fokuspunkt 7R in die Lochblende 8 gerichtet, so dass nur dieser spektrale Anteil 4R in den Fasereingang 9.1 eingestrahlt wird und am anderen Ende der Ausgangsfaser 9 der spektrale Anteil 4R mit der Ausgangsintensität PR zur Verfügung steht.
Mit der Änderung der Brennweite des optischen Elements 6 werden die
Fokuspunkte 7B, 7G, 7R der verschiedenen spektralen Anteile 4B, 4G, 4R axial verschoben.
In der praktischen Umsetzung der Vorrichtung 1 können bei Nutzung auftretender
Farblängsfehler und/oder Farbquerfehler die Brennpunkte aller in der Strahlung 3 enthaltener Wellenlängen axial und/oder lateral verschoben und somit selektiv in die Lochblende 8 eingestrahlt werden.
Bei Verwendung von optischen Elementen 6 die zusätzlich eine einstellbare prismatische Wirkung besitzen, können Toleranzen oder thermisch bedingte Drift aktiv kompensiert werden. Zur Regelung der Fokusposition relativ zur Lochblende 8 ist vorteilhaft ein
Detektor 17 zur Ermittlung der Fokusposition integriert (siehe beispielhaft Fig. 6a und 6b).
Farblängs- bzw. Farbquerfehler lassen sich in weiteren Ausführungen durch eine
vorgeschaltete Optik erzeugen.
Die Vorrichtung 1 ist in einem fünften Ausführungsbeispiel als Teleskop aufgebaut (Fig. 7a und7b).
Der Aufbau von Lichtquelle 2 und optischem Element 6 entspricht den vorherigen
Ausführungsbeispielen. Die Strahlung 3 ist kollimiert, entlang der optischen Achse geführt und in eine Brennebene oder Fokalebene 13 fokussiert, in der sich die Lochblende 8 befindet. Die in der Fokalebene 13 angeordnete Lochblende 8 ist als eine Platte mit einer Öffnung 8.1 ausgebildet.
In dem in Fig. 7a gezeigten Betriebszustand ist der Fokuspunkt 7 auf der optischen Achse in die Lochblende 8 fokussiert, sodass die Strahlung 3 mit der Eingangsintensität PO
eingestrahlt wird.
Im Strahlengang nach der Lochblende 8 ist ein zweiter Kollimator 5.2 mit fester Brennweite angeordnet, durch dessen Wirkung die von der Lochblende 8 ankommende divergierende Strahlung 3 wieder kollimiert und entlang der optischen Achse geführt ist. Die Ausgangsintensität P entspricht in der ideal angenommenen Vorrichtung 1 der Eingangsintensität PO.
Durch die Ansteuerung des optischen Elements 6 ist über die gesteuerte Änderung dessen Brennweite und/oder der prismatischen Wirkung der transmittierte Strahlungsanteil änderbar.
Wie in der Fig. 7b gezeigt, führt eine entsprechende Ansteuerung des optischen Elements 6 beispielsweise zu einer lateralen Verschiebung der Lage des Fokuspunkts 7 aus dem Bereich der Öffnung 8.1 der Lochblende 8. Im Ergebnis wird keine Strahlung 3 in die
Lochblende 8, genauer in die Öffnung 8.1 der Lochblende 8, eingestrahlt.
In Fig. 8a und 8b wird eine weitere mögliche Ausführung der Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Das optische Element 6 ist als ein adaptiver Spiegel 16 ausgebildet, dessen Oberflächenform, insbesondere die reflektierende Fläche des adaptiven Spiegels 16, mittels der Steuereinheit 10 einstellbar ist.
Der Spiegel 16 wird verwendet, um die Leistung eines Strahlenbündels der kollimierten Strahlung 3 zu ändern oder zu modulieren. Die kollimierte Strahlung 3 fällt schräg auf den adaptiven Spiegel 16 ein. Die Inklination des Spiegels 16 ist so angepasst, dass bei
Fokussierung auf die Lochblende 8, hier wieder als Fasereingang 9.1 ausgebildet, ein Maximum der Strahlung 3 eingekoppelt wird (Fig. 7a). Durch die Ansteuerung der des Spiegels 16 ist dessen Krümmung änderbar. Mit der Verschiebung des Fokuspunkts 7 weg von dem Fasereingang 9.1 ändert sich der Anteil der Strahlung 3, der in die Faser 9 eingekoppelt wird. Es ist vorteilhaft, wenn durch die Steuereinheit 10 zusätzlich zur
Brennweite auch erfasste und/oder simulierte Aberrationen (primär Astigmatismus und Koma) korrigiert werden können.
Aufgrund der kleinen numerischen Apertur von adaptiven Spiegeln werden zusätzliche Linsen oder Spiegel, zur Erhöhung der Einkoppeleffizienz, benötigt. Diese sind, ebenso wie der erste Kollimator 5.1 , nicht gezeigt.
Die Vorrichtung 1 kann in einem Beleuchtungsmodul 12 verwendet sein. In Fig. 9a und 9b ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beleuchtungsmoduls 12 gezeigt, bei dem vier Lichtquellen 2.1 bis 2.4 vorhanden sind, die jeweils einen spektralen Anteil 4 bereitstellen. Dabei stellt eine erste Lichtquelle 2.1 den spektralen Anteil 4B blauen Lichts, eine zweite Lichtquelle 2.2 den spektralen Anteil 4G grünen Lichts, eine dritte Lichtquelle 2.3 den spektralen Anteil 4Y gelben Lichts und eine vierte Lichtquelle 2.4 den spektralen
Anteil 4R roten Lichts bereit.
Die spektralen Anteile 4B, 4G, 4Y und 4R werden mit den
Eingangsintensitäten POB, POG, POY und POR bereitgestellt, wobei POB die
Eingangsintensität des blauen spektralen Anteils 4B, POG die Eingangsintensität des grünen spektralen Anteils 4G, POY die Eingangsintensität des gelben spektralen Anteils 4Y und POR die Eingangsintensität des roten spektralen Anteils 4R sind.
Die spektralen Anteile 4B, 4G, 4Y und 4R werden nach ihrer jeweiligen
Lichtquelle 2.1 , 2.2, 2.3 beziehungsweise 2.4 in eine lichtleitende Eingangsfaser 9E eingekoppelt. Jeder Eingangsfaser 9E ist ein separates optisches Element 6 nachgeordnet, das jeweils mittels einer Steuereinheit 10 ansteuerbar ist und jeweils als ein erster
Kollimator 5.1 dient.
In der Fig. 9a und 9b ist je optischen Element 6 eine Steuereinheit 10 vorhanden. In weiteren möglichen Ausführungen kann wenigstens eine Steuereinheit 10 zur Ansteuerung eine Mehrzahl oder aller vorhandener optischer Elemente 6 vorhanden sein. Jedes optische Element 6 wirkt für den divergierend aus der Eingangsfaser 9E austretenden spektralen Anteil 4B, 4G, 4Y beziehungsweise 4R als ein erster Kollimator 5.1 (nur jeweils einmal bezeichnet). Die kollimierten Strahlen der spektralen Anteile 4B, 4G, 4Y und 4R werden mittels einer aus spektral angepassten dichroitischen Strahlteilern gebildeten Spiegeltreppe 15 zusammengeführt und als Strahlung 3 mittels einer optischen Linse 14 in den Fokuspunkt 7 auf den als Lochblende 8 fungierenden Fasereingang 9.1 einer weiteren Faser 9 fokussiert. Die am anderen Ende der weiteren Faser 9 zur Verfügung stehende Ausgangsintensität P der Strahlung 3 setzt sich aus den Ausgangsintensitäten PB, PG, PY und PR zusammen (hier nicht gezeigt) und kann vereinfachend als Summe der
Eingangsintensitäten POB, POG, POY und POR angesehen werden.
In der Fig. 9b ist lediglich der spektralen Anteils 4B des blauen Lichts in den Fokuspunkt 7B gerichtet und in die Lochblende 9 in Form des Fasereingangs 9.1 eingestrahlt. Um die anderen spektralen Anteile 4G, 4Y und 4R nicht einzustrahlen, sind die optischen
Elemente 6 der betreffenden Strahlengänge angesteuert und deren Brennweite derart verändert, dass diese nach dem Verlassen der Spiegeltreppe als divergierende Strahlen auf die optische Linse 14 treffen und nicht auf den Fasereingang 9.1 fokussiert werden.
Die spektralen Anteile 4, die in die Faser 9 eingekoppelt werden, sind durch die Änderung der Spannung Ui bis LU der einzelnen optischen Elemente 6/Kollimatoren 5.1 unabhängig voneinander einstellbar.
Bei Verwendung von optischen Elementen 6, die zusätzlich eine einstellbare prismatische Wirkung besitzen (siehe Fig. 5a bis 6b) können Toleranzen oder thermisch bedingter Drift aktiv kompensiert werden. Zur Regelung der Fokusposition 7 relativ zur Lochblende 8 beziehungsweise Fasereingang 9.1 ist ein Detektor 17 (schematisch und nicht
positionsgetreu dargestellt) zur Ermittlung der tatsächlichen Fokusposition 7 integriert.
In den Fig. 9a und 9b sind zwei Extremfälle, die gleichzeitige Einkopplung von vier
Wellenlängen, hier als spektrale Anteile 4B, 4G, 4Y und 4R bezeichnet, und die Einkopplung einer einzigen Wellenlänge in Form des spektralen Anteils 4B dargestellt.
Durch entsprechende Einstellung des optischen Elements 6 lassen sich natürlich auch beliebige Mischungen verschiedener spektraler Anteile 4 bewerkstelligen. Eine Reduzierung der in die Lochblende 8 eingestrahlten Intensität ist durch eine gesteuerte Defokussierung möglich, wie dies im Prinzip zu Fig. 1 a undl b beschrieben ist.
In den Fig. 9a und 9b ist die Vorrichtung 1 und das Beleuchtungsmodul 12 beispielhaft als Bestandteil eines schematisch gezeigten Mikroskops M, beispielsweise eines Laser- Scanning-Mikroskops, dargestellt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 10a und 10b) eines Beleuchtungsmoduls 12 ist in jedem Strahlengang der spektralen Anteile 4B, 4G, 4Y und 4R ein erster Kollimator 5.1 angeordnet, durch dessen Wirkung die aus der Faser 9 divergierend austretenden jeweiligen spektralen Anteile 4B, 4G, 4Y beziehungsweise 4R in kollimierte Strahlenbündel überführt werden, die anschließend über die Spiegeltreppe 15 zu einer Strahlung 3 zusammengeführt werden. Die kollimierte Strahlung 3 ist auf das optische Element 6 gerichtet, dessen
Brennweite derart eingestellt ist, dass die Strahlung 3 in den Fokuspunkt 7 gerichtet ist, der auf dem als Lochblende 8 fungierenden Fasereingang 9.1 liegt. Es wird daher die gesamte Strahlung 3 in die Lochblende 8 eingestrahlt.
Fig. 10b zeigt einen Betriebszustand des zu Fig. 10a beschriebenen
Beleuchtungsmoduls 12, in dem das optische Element 6 angesteuert und dessen Brennweite verringert ist, sodass der Fokuspunkt 7 vor der Lochblende 8 liegt. Es wird daher wenig oder keine Strahlung 3 in die Lochblende 8 eingestrahlt. Bei der in den Fig. 10 und 10b gezeigten Variante können alle aktivierten Laserwellenlängen, d.h. spektralen Anteile 4B, 4G, 4Y und 4R gleichzeitig moduliert werden. Ab- und
Anschaltung einzelner spektraler Anteile 4B, 4G, 4Y und/oder 4R sind mittels zusätzlicher Shutter oder Abschaltung der entsprechenden Lichtquelle 2.1 bis 2.4 möglich.
Die bereits oben beschriebene Nutzung auftretender Farblängsfehler ist in einem
Beleuchtungsmodul 12 umgesetzt, das in den Fig. 1 1 a und 1 1 b dargestellt ist. Wie zu Fig. 10a und 10b beschrieben sind die spektralen Anteile 4, in diesem Ausführungsbeispiel die spektralen Anteile 4B, 4G und 4R, mittels der Spiegeltreppe 15 zusammengeführt und sind als nahezu kollimierte Strahlenbündel entlang der optischen Achse des optischen Elements 6 auf dieses gerichtet. Die nahezu kollimierte Strahlenbündel sind mittels des optischen Elements 6 ausgleichbar.
Das optische Element 6 ist mit einer adaptiven Linse (angedeutet dargestellt) versehen, wobei durch eine gesteuerte Änderung insbesondere der Form der adaptiven Linse die Brennweiten des optischen Elements 6 eingestellt wird.
Zum sequentiellen Schalten der spektralen Anteile 4B, 4G und 4R werden unterschiedliche Divergenzen der nahezu kollimierten Strahlenbündel genutzt.
Die Vorrichtung 1 beziehungsweise das Beleuchtungsmodul 12 kann so eingestellt werden, dass nur ein einzelner spektraler Anteil 4B, 4G oder 4R eingekoppelt wird.
Es können auch verschiedene Wellenlängen gleichzeitig eingekoppelt werden. Dabei können durch Wirkung beispielsweise des ersten Kollimators 5.1 (auch als Vorspannoptik zu bezeichnen) Wellenlängen nahezu kollimiert sein, also lediglich leicht divergieren oder konvergieren (siehe oben). Eine solche Trennung einzelner Wellenlängen wird hier als „Vorspannen" oder„optische Vorspannung" bezeichnet. Das ermöglicht z. B. ein Umschalten zwischen verschiedenen Multiwellenlängenkombinationen (z. B. drei spektrale Anteile 4 an einem Fokuspunkt 7 und zwei spektrale Anteile 4 an einem anderen Fokuspunkt 7).
Man beachte die unterschiedlichen optischen Vorspannungen (symbolisiert durch
variierende Dicken der ersten Kollimatoren 5.1 hinter der Eingangsfaser), die prinzipiell auch eine Multiwellenlängeneinkopplung ermöglichen.
Ein zu den Figuren 9a bis 1 1 b beschriebenes Beleuchtungsmodul 12 ermöglicht eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Kombinationsmöglichkeiten der spektralen Anteile 4.
Anhand der Fig. 6a und 6b wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft erläutert. In Schritt A wird die Strahlung 3 in eine Vielzahl von Fokuspunkten 7 fokussiert und die tatsächliche in die Lochblende 8 eingestrahlte Intensität und der tatsächlich ein eingestrahlte spektrale Anteil 4 erfasst, indem die Ausgangsintensität P erfasst, beispielsweise gemessen, wird. Die Position des Fokuspunkts 7 und die zugehörige Ausgangsintensität P werden zusammen mit denjenigen Parametern des Steuerbefehls gespeichert, aufgrund derer der entsprechende Fokuspunkt 7 eingestellt wird.
Um das Verfahren anzuwenden wird in Schritt B eine gewünschte aktuell einzustrahlende Intensität und/oder spektrale Anteile 4 der Strahlung 4 ausgewählt.
In Schritt C wird anhand der ermittelten und gespeicherten Messwerte ein Fokuspunkt 7 ausgewählt, der zur Einstrahlung der gewünschten aktuellen Intensitäten und/oder spektralen Anteile 4 in die Lochblende 8 führt. Dazu werden die gewünschte aktuelle
Intensität und/oder der spektrale Anteil 4 über eine Nutzeroberfläche eingegeben und mit den erfassten Messwerten der Speichereinheit 1 1 verglichen. Sind die Positionen des Fokuspunkts 7 gefunden, die zur gewünschten einzustrahlenden Intensität und/oder spektralen Anteil 4 führt, wird mittels der Steuereinheit 10 ein
Steuerbefehl generiert und an das optische Element 6 übermittelt. Dieses wird entsprechend dem Steuerbefehl eingestellt. Zugleich kann die Lichtquelle 2 durch die Steuereinheit 10 angesteuert werden, um deren Leistung und/oder spektrale Zusammensetzung der bereitgestellten Strahlung 3 zu steuern.
Im Beispiel der Fig. 6a, und 6b sollen nacheinander die spektralen Anteile 4G und 4R eingestrahlt werden. Es wird daher die Position des Fokuspunkts 7G anhand der erfassten Messwerte ermittelt und durch die Steuereinheit 10 Steuerbefehl an das optische Element 6 übermittelt, aufgrund dessen an dem optischen Element 6 eine Spannung Ui anliegt und der Fokuspunkts 7G auf den Fasereingang 9.1 gerichtet ist. Aufgrund der auftretenden
Farblängsfehler liegen die Fokuspunkte 7B und 7R (nicht gezeigt) der anderen spektralen Anteile 4B und 4R axial so weit vom Fasereingang 9.1 entfernt, dass diese nicht eingestrahlt werden.
Anschließend soll der spektrale Anteil 4R in die Faser 9 eingekoppelt werden. Es wird die entsprechende Position des Fokuspunkts 4R ausgewählt und das optische Element 6 so angesteuert, dass der Fokuspunkt 7R nun genau mit dem Fasereingang 9.1 zusammenfällt. Die Fokuspunkte 7B und 7G sind axial vom Fasereingang 9.1 so weit verschoben, dass die spektralen Anteile 4B und 4G nicht eingekoppelt werden (Fig. 6b).
Die beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten der Vorrichtung 1 und des
Beleuchtungsmoduls 12 sind im Rahmen fachmännischen Könnens miteinander
kombinierbar.
Bezugszeichen
1 Vorrichtung
2 Lichtquelle
2.1 erste Lichtquelle
2.2 zweite Lichtquelle
2.3 dritte Lichtquelle
2.4 vierte Lichtquelle
3 Strahlung
4 spektraler Anteil
4B blauer spektraler Anteil
4G grüner spektraler Anteil
4R roter spektraler Anteil
4Y gelber spektraler Anteil
5.1 erster Kollimator
5.2 zweiter Kollimator
6 ansteuerbares optisches Element
7 Fokuspunkt
7B Fokuspunkt (des blauen spektralen Anteils)
7G Fokuspunkt (des grünen spektralen Anteils)
7R Fokuspunkt (des roten spektralen Anteils)
8 Lochblende
8.1 Öffnung (der Lochblende 8)
9 Ausgangsfaser
9.1 Fasereingang
9E Eingangsfaser
10 Steuereinheit
1 1 Speichereinheit
12 Beleuchtungsmodul
13 Fokalebene
14 optische Linse
15 Spiegeltreppe
16 adaptiver Spiegel 17 Detektor
GF Grenzfläche
H objektseitige Hauptebene
H' bildseitige Hauptebene
PO Eingangsintensität
POB Eingangsintensität des blauen spektralen Anteils
POG Eingangsintensität des grünen spektralen Anteils
POR Eingangsintensität des roten spektralen Anteils
POY Eingangsintensität des gelben spektralen Anteils
P Ausgangsintensität
PB Ausgangsintensität des blauen spektralen Anteils
PG Ausgangsintensität des grünen spektralen Anteils
PR Ausgangsintensität des roten spektralen Anteils
Un n-te elektrische Spannung (mit n = 1 , 2, ,n)
M Mikroskop

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Regelung von in eine Lochblende (8) eingestrahlten Intensitäten (PO) und/oder spektralen Anteilen (4) einer Strahlung (3), umfassend
- einen Schritt A, in dem in die Lochblende (8) eingestrahlte Intensitäten (PO) und/oder spektrale Anteile (4) der Strahlung (3) in Abhängigkeit einer räumlichen Position eines Fokuspunkts (7) der Strahlung (3) und/oder eines Fokuspunkts (7B, 7G, 7Y, 7R) eines spektralen Anteils (4) relativ zur Lochblende (8) ermittelt und als Messwerte gespeichert werden,
- einen Schritt B, in dem eine gewünschte einzustrahlende Intensität und/oder
spektrale Anteile (4) der Strahlung (3) ausgewählt wird beziehungsweise ausgewählt werden,
- einen Schritt C, in dem anhand der ermittelten Messwerte ein Fokuspunkt (7) ausgewählt wird, der zur Einstrahlung der gewünschten Intensitäten und/oder spektralen Anteile (4) in die Lochblende (8) führt und
einen Schritt D, in dem die Strahlung (3) und/oder spektrale Anteile (4) der Strahlung (3) mittels eines ansteuerbaren optischen Elements (6) in den ausgewählten Fokuspunkt (7) fokussiert wird beziehungsweise werden, wobei nach der einmaligen Ausführung des Schritts A die Schritte B bis D wiederholt ausführbar sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt D tatsächlich eingestrahlten Intensitäten (PO) und/oder spektralen Anteile (4) als Messwerte erfasst, die erfassten Messwerte mit den gewünschten Intensitäten und/oder spektralen Anteilen (4) verglichen und bei Abweichung von gewünschten Intensitäten und tatsächlichen
Intensitäten (PO) und/oder spektralen Anteilen (4) oberhalb einer als zulässig definierten Toleranzschwelle der ausgewählte Fokuspunkt (7), die Intensität (PO) und/oder die spektralen Anteile (4) der Strahlung (3) korrigiert werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strahlung (3) in spektrale Anteile (4B, 4G, 4Y, 4R) aufgefächert wird und der
Fokuspunkt (7B, 7G, 7Y, 7R) eines der spektralen Anteile (4B, 4G, 4Y, 4R) ausgewählt wird.
4. Vorrichtung (1 ) zur Regelung von in eine Lochblende (8) eingestrahlten Intensitäten (PO) und/oder spektralen Anteilen (4) einer Strahlung (3), mit
- mindestens einer Lichtquelle (2) zur Bereitstellung jeweils einer Strahlung (3) oder eines spektralen Anteils (4) einer Strahlung (3),
- mindestens einem ansteuerbaren optischen Element (6) zur Fokussierung der
Strahlung (6) oder des spektralen Anteils (4) in einen Fokuspunkt (7),
- einer Steuereinheit (10) zur Ansteuerung des optischen Elements (6), wobei eine Position des Fokuspunkts (7) auswählbar ist und wenigstens ein Steuerbefehl zur Fokussierung der Strahlung (3) oder des spektralen Anteils (4) in den ausgewählten Fokuspunkt (7) erzeugt und das optische Element (6) mit diesem derart angesteuert ist, dass die Strahlung (3) oder der spektrale Anteil (4) in den ausgewählten
Fokuspunkt (7) fokussiert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Speichereinheit (1 1 ) vorhanden ist, die zum abrufbaren Speichern von
räumlichen Positionen des Fokuspunkts (7) der Strahlung (3) oder des spektralen Anteils (4) relativ zur Lochblende (8) konfiguriert ist, wobei jeder der Positionen Messwerte der in die Lochblende (8) eingestrahlten Intensitäten (PO) und/oder spektralen Anteile (4) der Strahlung (3) zugeordnet und gespeichert sind und
- die Steuereinheit (10) zur Ansteuerung des optischen Elements (6) derart konfiguriert ist, dass in Abhängigkeit einer gewünschten aktuell in die Lochblende (8)
einzustrahlenden Intensität und/oder aktuell einzustrahlenden spektralen Anteils (4) der Strahlung (3) entsprechende Messwerte und eine diesen zugeordnete Position des Fokuspunkts (7) auswählbar sind und wenigstens ein Steuerbefehl zur
Fokussierung der Strahlung (3) oder des spektralen Anteils (4) in den ausgewählten Fokuspunkt (7) erzeugt und das optische Element (6) mit diesem derart angesteuert ist, dass die Strahlung (3) oder der spektrale Anteil (4) in den ausgewählten
Fokuspunkt (7) fokussiert ist.
6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweiligen Lichtquelle (2) beleuchtungsseitig ein erster Kollimator (5.1 ) nachgeordnet ist.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare optische Element (6) eine adaptive Linse oder Linsengruppe mit
einstellbarer Brennweite ist.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare optische Element (6) eine einstellbare prismatische Wirkung aufweist, wobei eine prismatische Wirkung darin besteht, die räumliche Position des
Fokuspunkts (7, 7B, 7G, 7Y, 7R) mindestens eines spektralen Anteils (4) der
Strahlung (3) in gesteuerter Weise einzustellen.
9. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Fokalebene (13) die Lochblende (8) angeordnet ist und nach der Fokalebene (13) ein zweiter
Kollimator (5.2) im Strahlengang angeordnet ist.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
- mindestens zwei Lichtquellen (2, 2.1 , 2.2, 2.3, 2.4) zur Bereitstellung spektraler
Anteile (4, 4B, 4G, 4Y, 4R) der Strahlung (3) vorhanden sind,
- jeder Lichtquelle (2, 2.1 , 2.2, 2.3, 2.4) beleuchtungsseitig ein ansteuerbares optisches Element (6) nachgeordnet ist, - die spektralen Anteile (4, 4B, 4G, 4Y, 4R) entlang eines gemeinsamen Strahlengangs auf eine optische Linse (14), geführt sind,
- wobei die spektralen Anteile (4, 4B, 4G, 4Y, 4R) gesteuert mittels der jeweiligen ansteuerbaren optischen Elemente (6) und der optischen Linse (14) in den gewählten Fokuspunkt (7, 7B, 7G, 7Y, 7R) fokussierbar sind.
1 1. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ansteuerbare
optische Element (6) ein Spiegel (16) ist, dessen Krümmung gesteuert einstellbar ist.
12. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 1 , gekennzeichnet durch mindestens eine zusätzliche optische Linse (14) im Strahlengang zwischen dem ansteuerbaren optischen
Element (6) und der Lochblende (8).
13. Beleuchtungsmodul (12) zur Bereitstellung von unterschiedlichen spektralen Anteilen (4) einer Strahlung (3), mit Lichtquellen (2, 2.1 , 2.2, 2.3, 2.4) zur Bereitstellung der spektralen Anteile (4) und einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 12 zur Einstrahlung ausgewählter Intensitäten (PO) und/oder spektraler Anteile (4) in eine Lochblende (8).
14. Mikroskop (M) umfassend eine Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 12 oder umfassend ein Beleuchtungsmodul (12) nach Anspruch 13.
PCT/EP2018/060585 2017-04-26 2018-04-25 Verfahren und vorrichtung zur regelung von in eine lochblende eingestrahlten intensitäten und/oder spektralen anteilen einer strahlung WO2018197556A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017207013.7 2017-04-26
DE102017207013.7A DE102017207013A1 (de) 2017-04-26 2017-04-26 Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von in eine Lochblende eingestrahlten Intensitäten und/oder spektralen Anteilen einer Strahlung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018197556A1 true WO2018197556A1 (de) 2018-11-01

Family

ID=62165531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2018/060585 WO2018197556A1 (de) 2017-04-26 2018-04-25 Verfahren und vorrichtung zur regelung von in eine lochblende eingestrahlten intensitäten und/oder spektralen anteilen einer strahlung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102017207013A1 (de)
WO (1) WO2018197556A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110737087A (zh) * 2019-08-07 2020-01-31 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光阑

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020209076A1 (de) 2020-07-20 2022-01-20 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optikeinheit zum Formen eines Lichtstrahls und Verfahren zum Betreiben einer Optikeinheit

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004051323A1 (en) * 2002-12-03 2004-06-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for forming variable fluid meniscus configurations
CN101464558A (zh) * 2009-01-13 2009-06-24 南京邮电大学 一种电调谐光衰减器
EP2296019A1 (de) * 2009-09-14 2011-03-16 poLight AS Optischer Leistungsschalter (OPS)
CA2307315C (en) 1997-10-29 2011-04-05 Calum Eric Macaulay Apparatus and methods relating to spatially light modulated microscopy
CN103017901B (zh) * 2012-11-21 2014-07-30 南京邮电大学 一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5815626A (en) * 1994-10-14 1998-09-29 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Optical transmission device, solid state laser device, and laser beam processing device
US6876790B2 (en) * 2002-05-17 2005-04-05 Science & Engineering Services, Inc. Method of coupling a laser signal to an optical carrier
EP1894041A1 (de) * 2005-06-10 2008-03-05 Koninklijke Philips Electronics N.V. Variable flüssiglinse mit zwei menisken
US8120756B2 (en) * 2007-03-19 2012-02-21 Korea Atomic Energy Research Institute Laser doppler velocity system for variable beam focusing
DE102007047183A1 (de) * 2007-10-02 2009-04-09 Carl Zeiss Microimaging Gmbh Spiegeltreppe zur Vereinigung mehrerer Lichtquellen und Laser-Scanning-Mikroskop

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2307315C (en) 1997-10-29 2011-04-05 Calum Eric Macaulay Apparatus and methods relating to spatially light modulated microscopy
WO2004051323A1 (en) * 2002-12-03 2004-06-17 Koninklijke Philips Electronics N.V. Apparatus for forming variable fluid meniscus configurations
CN101464558A (zh) * 2009-01-13 2009-06-24 南京邮电大学 一种电调谐光衰减器
EP2296019A1 (de) * 2009-09-14 2011-03-16 poLight AS Optischer Leistungsschalter (OPS)
CN103017901B (zh) * 2012-11-21 2014-07-30 南京邮电大学 一种基于变焦透镜的光谱测量方法及微型光谱仪

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110737087A (zh) * 2019-08-07 2020-01-31 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光阑
CN110737087B (zh) * 2019-08-07 2021-05-04 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种光阑

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017207013A1 (de) 2018-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2149070B1 (de) Durchstimmbares akusto-optisches filterelement
DE102007028337A1 (de) Strahlvereiniger und eine Lichtquelle mit einem derartigen Strahlvereiniger
DE102013201968B4 (de) Vorrichtung zur akustooptischen Umformung periodisch gepulster, elektromagnetischer Strahlung
DE112008003385T5 (de) Spektrale Strahlkombination mit Breitbandlasern
EP1141763B2 (de) Anordnung zur separierung von anregungs- und emissionslicht in einem mikroskop
EP3917716B1 (de) Anordnung und verfahren zum formen eines laserstrahls
DE102012100209A1 (de) Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen Lichtleiter
DE3600325A1 (de) Objektiv mit veraenderlicher brennweite
DE2713890A1 (de) Optisches abtastsystem mit einem optischen system zur ausbildung von halbtonbildern
DE102014113716B4 (de) Vorrichtung zum getrennten Modulieren der Wellenfronten von zwei Komponenten eines Lichtstrahls und Rasterfluoreszenzlichtmikroskop
WO2018197556A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur regelung von in eine lochblende eingestrahlten intensitäten und/oder spektralen anteilen einer strahlung
EP3042239A1 (de) Rastermikroskop mit polarisierter probenbeleuchtung
EP2023181A1 (de) Vorrichtung zum Schwenken eines optischen Strahls
DE102013010731A1 (de) Schnell und genau schaltende Lichtweiche und Strahlstabilisierungsvorrichtung
DE10029167B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturstabilisierung optischer Bauteile
DE102010003591A1 (de) Anordnung und Verfahren zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung
DE102011005835A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Aufweitung eines Laserstrahls
DE102016107011A1 (de) Optische Anordnung für einen Scheinwerfer und Scheinwerfer mit der optischen Anordnung
WO2015032819A1 (de) Mikroskop mit einem element zum verändern der form des beleuchtungslichtfokus
DE102020122227B3 (de) Homogenisierung des Ausgangsstrahlprofils eines mehrmodigen Lichtwellenleiters
DE102016221388A1 (de) Optischer Phasenschieber, optische phasengesteuerte Anordnung, Verfahren zur Einstellung einer Phase elektromagnetischer Strahlung, Verfahren zur Einstellung eines Strahlenverlaufs, LiDAR-System
DE102019220409A1 (de) Optischer Pfad für einen optischen Sensor
DE10201870B4 (de) Anordnung und Verfahren zur Veränderung der Lichtleistung in einem Miskroskop
WO2017137221A1 (de) Beleuchtungsvorrichtung für fahrzeuge
EP1070275A1 (de) Transversaler elektrooptischer modulator

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18724482

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18724482

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1