DE10110597A1 - Anordnung zur Strahlabschwächung - Google Patents

Abstract

Zur Abschwächung eines Lichtstrahls, die in vielen optischen Anwendungen erforderlich ist, wird vorgeschlagen, eine Abschwächungseinrichtung so auszugestalten, dass zunächst eine Einrichtung zum Aufweiten eines von einer Lichtquelle kommenden Strahles vorgesehen wird. Nach dem Passieren dieser Aufweitungseinrichtung wird der aufgeweitete Lichtstrahl einer Abschwächungseinrichtung zugeführt, die ein Blendenlochraster aufweist. Das Blendenlochraster ist dabei so ausgeführt, dass der aufgeweitete Lichtstrahl wenigstens zwei Lochblenden des Blendenlochrasters überdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strahlabschwächung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Untersuchung von Proben mit Hilfe von Mikroskopen und insbesondere bei der Untersuchung von Proben mit Hilfe der konfokalen Scan-Mikroskopie ist es ebenso wie bei vielen anderen optischen Anordnungen erforderlich, die von einer Strahlungsquelle ausgehenden Lichtbündel im Hinblick auf ihre Lichtleistung abzuschwächen. Besonders wünschenswert ist es dabei, den Abschwächungsgrad variabel zu gestalten und den jeweiligen Bedürfnissen entsprechend anzupassen. Zur Abschwächung der von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlung ist es zur Anwendung in der konfokalen Scan-Miskroskopie beispielsweise aus der US 6,038,067 bekannt, den Strahl begrenzende Blenden einzusetzen, die auf einer rotierenden Scheibe angeordnet sind. Darüber hinaus wird in diesem Dokument vorgeschlagen, galvanometrisch getriebene Spiegel und akkusto- optische Strahl-Steuereinheiten oder ein Mikrolinsenarray zu verwenden. Zwar sind insbesondere die akkusto-optischen Strahl-Steuereinheiten sehr flexibel, jedoch sind sie in ihrem Aufbau und in der elektronischen Ansteuerung äußerst komplex und entsprechend auch in der Herstellung sehr teuer. Darüber hinaus ist bei diesen Elementen die Lichtleistung des einfallenden Lichtstrahls auf einen Bereich von etwa 100 mW bis zu wenigen Watt begrenzt.

In der US 5,684,626 wird insbesondere zur Verbesserung des Kontrastes und zur Erhöhung der Auflösung vorgeschlagen, vor der Kondensorlinse des Linsensystems eine Blendenscheibe vorzusehen. In diese Blendenscheibe sind Blenden unterschiedlicher Größe eingearbeitet, die wahlweise in den Strahlengang eingebracht werden können um so den Strahl unterschiedlich abzuschwächen, wobei die jeweils beste Blende empirisch ermittelt wird. Die Verwendung einer derartigen Blendenscheibe hat allerdings den Nachteil, dass eine Abschwächung des Strahles nur in definierten Schritten erreicht werden kann, die letztendlich durch den Blendendurchmesser bzw. durch den Unterschied zwischen zwei aufeinander folgenden Blendendurchmessern gegeben ist.

In der US 6,128,077 wird zur Lichtschwächung ein programmierbarer räumlicher Lichtmodulator vorgeschlagen, der auf der Basis von einzeln ansteuerbaren, nebeneinander angeordneten Flüssigkristallelementen arbeitet. Durch die unterschiedliche Ansteuerung der Flüssigkristallelemente können diese in ihrem Transmissionsverhalten für die einfallende Lichtstrahlung beeinflusst werden. Damit kann ein gewünschtes und bestimmtes Beleuchtungsmuster erzeugt werden.

Aus der bislang noch unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung mit der Nummer 100 16 361.0 ist darüber hinaus eine Einrichtung zum Ausblenden und Abschwächen spektraler Lichtanteile einer polychromatischen Strahlung bekannt. Hierzu wird vorgeschlagen, den polychromatischen Lichtstrahl zunächst durch den Einsatz einer dispersiven Anordnung, wie etwa eines Prismas, spektral räumlich in einzelne Lichtbündel aufzufächern. Die aufgefächerten einzelnen Lichtbündel werden anschließend einem Abschwächungsmittel zugeführt. Als Abschwächungsmittel können dabei beispielsweise eine oder mehrere Blenden verwendet werden, die in eine Blendenscheibe eingebracht sind. Die Blenden für ein definiertes Lichtbündel liegen dabei auf konzentrischen Kreisen um den Mittelpunkt der Blendenscheibe und können unterschiedliche Formen aufweisen. Sofern die Blenden in dieser Anordnung auf den konzentrischen Kreisen so ausgeführt sind, dass sie sich in wenigstens einer Richtung verjüngen, besteht hierbei die Möglichkeit, den Strahl im Rahmen einer sich verjüngenden Schlitzblende durch Drehung der Blendenscheibe relativ variabel einzustellen.

Ausgehend von diesen bekannten Anordnungen zur Strahlabschwächung besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine alternative Anordnung zur Strahlabschwächung vorzuschlagen, die zum einen einfach und kostengünstig herstellbar ist und zum anderen einen variablen Abschwächungsgrad zulässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur Strahlabschwächung gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 13, sowie verfahrenstechnisch durch die Merkmale gemäß Anspruch 12 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Strahlabschwächung wird der Strahl, der bevorzugt monochromatisch ist, zunächst einer Einrichtung zum geometrischen Aufweiten des Strahles zugeführt. Erst anschließend wird der aufgeweitete Strahl auf eine Abschwächungseinrichtung gerichtet, mit deren Hilfe der Strahl auf das gewünschte Maß abgeschwächt werden kann. Erfindungsgemäß zeichnet sich diese Abschwächungseinrichtung nun dadurch aus, dass sie eine Mehrzahl von Blenden aufweist, die so ausgeführt und in der Abschwächungseinrichtung angeordnet sind, dass der nun aufgeweitete, bevorzugt monochromatische Strahl, wenigstens zwei der Blenden zumindest teilweise überdeckt. Diese Maßnahmen zur Strahlabschwächung sind konstruktiv besonders einfach zu lösen und erlauben auch eine kostengünstige Herstellung einer Anordnung zur Strahlabschwächung, wobei gleichzeitig auf eine komplizierte elektronische Steuerung zur Strahlabschwächung verzichtet werden kann. Damit kann auch die Fehleranfälligkeit eines derartigen Systems weiter reduziert und die Zuverlässigkeit des gesamten optischen Systems gesteigert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mehrzahl von Blenden auf einer Blendenscheibe angeordnet, wobei die Blendenscheibe um eine Achse, beispielsweise eine im Mittelpunkt der Blendenscheibe angeordnete Achse drehbar ist. Im Hinblick auf Form und Größe sind die in der Blendenscheibe eingebrachten Blenden dabei so ausgeführt, dass in eine fest vorgegebene Drehrichtung der Blendenscheibe, beispielsweise in Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn, die Menge des aufgeweiteten Strahles, der durch die Blenden fällt, zunimmt, wenn die Blendenscheibe in dieser Richtung gedreht wird. Zum einen lässt sich dies dadurch erreichen, dass die Anzahl der Blenden pro Flächeneinheit auf der Blendenscheibe in Drehrichtung erhöht wird. Zum anderen ist es aber auch möglich, statt der Anzahl der Blenden lediglich die Durchmesser der Blenden zu erhöhen, wobei allerdings darauf zu achten ist, dass der einfallende, aufgeweitete Lichtstrahl, wenigstens zwei der Blenden wenigstens teilweise überdeckt. Damit ist gewährleistet, dass durch einfaches Drehen der Blendenscheibe eine nahezu kontinuierliche Erhöhung der durch die Blendenscheibe fallenden Lichtstrahlung erreicht werden kann. Im Umkehrschluss ist es ebenso möglich, die durch die Blendenscheibe fallende Lichtstrahlung dadurch zu reduzieren, dass die Blendenscheibe in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird.

Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung steht also eine Anordnung zur Strahlabschwächung zur Verfügung, deren Grad der Strahlabschwächung durch einfaches Drehen der Blendenscheibe eingestellt werden kann, wobei gleichzeitig eine im Wesentlichen kontinuierliche Erhöhung bzw. Erniedrigung der Strahlabschwächung erreicht werden kann.

Selbstverständlich ist es in dieser Anordnung auch möglich, durch Beeinflussung des Grades der geometrischen Strahlaufweitung die gewünschten Effekte zu erzielen, da bei einer größeren Strahlaufweitung mehr Lichtstrahlen durch die auf der Blendenscheibe befindlichen Blenden hindurchtreten können.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figuren sowie deren Beschreibungsteile, bei deren Darstellung zugunsten der Anschaulichkeit auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe verzichtet wurde.

Es zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung des Strahlengangs in einer erfindungsgemäßen Abschwächungseinrichtung in Aufsicht

Fig. 2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Blendenscheibe

Fig. 3 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Blendenscheibe

Fig. 4 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Blendenscheibe

Wie in Fig. 1 dargestellt, fällt ein von einer Lichtquelle kommender Strahl 10 auf eine Strahlaufweitungsoptik 12. Als Lichtstrahl wird insbesondere ein im Wesentlichen monochromatischer Lichtstrahl verwendet, wie er beispielsweise durch heute übliche Laser erzeugt werden kann. Entsprechend führt die Aufweitungsoptik 12 dazu, dass dieser im Wesentlichen monochromatische Lichtstrahl zwischen der Aufweitungsoptik 12 und einer im Strahlengang ihr folgend angeordneten Strahlvereinigungsoptik 14 als geometrisch aufgeweiteter Lichtstrahl 16 vorliegt. Im Bereich zwischen der Aufweitungsoptik 12 und der Strahlvereinigungsoptik 14 ist eine Strahlabschwächungseinrichtung 18 vorgesehen, mit deren Hilfe der aufgeweitete monochromatische Lichtstrahl 16 abgeschwächt werden kann. Die Abschwächungseinrichtung 18 weist dabei bevorzugt eine Blendenscheibe 20 auf, die an einer Drehwelle 22 drehbar gelagert ist. Vorteilhafterweise ist die Drehwelle 22 mit einem Antrieb 24 verbunden, mit dessen Hilfe die Blendenscheibe 20 über die Drehwelle 22 angetrieben werden kann. Durch die Drehbarkeit der Blendenscheibe 20 ist es also möglich, eine definierte Position auf der Blendenscheibe 20 in den aufgeweiteten Lichtstrahl 16 einzudrehen. Die Blendenscheibe ist dabei so ausgeführt, dass der aufgeweitete Lichtstrahl 16 eine Mehrzahl von Blenden 21 (Fig. 2) überdeckt. Damit können lediglich die Teile des aufgeweiteten Lichtstrahles 16 die Blendenscheibe 20 durchdringen, die durch die Mehrzahl der Blenden 21 fallen. Entsprechend wird durch diese Anordnung hinter der Blendenscheibe 20 ein aufgeweiteter, jedoch abgeschwächter Lichtstrahl 26 erzeugt. Der aufgeweitete, abgeschwächte Lichtstrahl 26 wird anschließend der Strahlvereinigungsoptik 14 zugeführt und somit zu einem abgeschwächten Lichtstrahl 28 zusammengeführt.

Die möglicherweise an den Blendenrändern auftretenden Beugungseffekte spielen bei der Verwendung des abgeschwächten Lichtes 28 im Wesentlichen keine Rolle, da für die meisten Anwendungen nur die nullte Beugungsordnung weiterverwendet wird. Unter bestimmten Voraussetzungen, die im Folgenden noch näher erläutert werden, kann es jedoch günstig sein, den wiedervereinigten abgeschwächten Lichtstrahl 28 mit Hilfe einer Einkoppeloptik 30 in eine Lichtleitfaser 32, insbesondere in eine Monomode- Glasfaser 32 einzukoppeln. Für die Zwecke der Mikroskopie wird dieses Licht erst dann weiterverwendet, wenn es die Glasfaser 32 an ihrem Ende wieder verlassen hat bzw. dort, ggf. mit einer weiteren Optik, wieder ausgekoppelt wird.

In Fig. 2 ist schematisch eine Blendenscheibe 20 gezeigt, die um eine Drehwelle 22, die sich in ihrem Mittelpunkt befindet, drehbar gelagert ist. In die Blendenscheibe 20 sind eine Vielzahl von Blenden 21 von im Wesentlichen gleicher Größe eingebracht. Die Blenden 21 und die Blendenscheibe 20 sind dabei so ausgeführt, dass ein einfallender Lichtstrahl 16 durch die Blenden 21 gelangen kann, während die Ausbreitung eines Lichtstrahles in den Bereichen außerhalb der Blenden 21 jedoch auf dem Blendenrand 20 an der Ausbreitung gehindert ist. Schematisch wiedergegeben ist der aufgeweitete Lichtstrahl 16, der auf die Blendenscheibe 20 fällt und im Inneren seines Durchmessers eine Mehrzahl von Blenden 21a zumindest teilweise überdeckt. Der aufgeweitete Lichtstrahl 16 wird also in den Bereichen außerhalb der Blenden 21a an einer weiteren Ausbreitung gehindert, während er sich durch die Blenden 21a ungehindert ausbreiten kann. Entsprechend wird die ursprüngliche Intensität des aufgeweiteten Lichtstrahles 16 reduziert, so dass in dem Bereich hinter der Blendenscheibe 20 ein abgeschwächter Lichtstrahl 26 (Fig. 1) zur Verfügung gestellt wird. Die Blenden 21 sind auf der Blendenscheibe dabei so angeordnet, dass ihre Anzahl je Flächeneinheit in Drehrichtung D zunimmt. Besonders deutlich wird dies an den beiden exemplarisch eingezeichneten Kreissegmenten 34 und 36, in welchen jeweils eine unterschiedliche Anzahl Blenden 21 je Flächeneinheit vorhanden ist. Durch einfaches Drehen der Blendenscheibe 20 ist es nun möglich, in den aufgeweiteten Strahl 16 einen zunehmenden transmittierenden Flächenbereich der Blendenscheibe 20 einzudrehen. Bei der in Fig. 2 vorgeschlagenen Anordnung der Blenden auf der Blendenscheibe wird in den aufgeweiteten Strahlengang 16 eine größere Anzahl von Blenden 21 mit einem im Wesentlichen gleichen Durchmesser eingedreht.

Diese Eigenschaft der Blendenscheibe 20 kann allerdings auch dadurch erreicht werden, dass zwar die Anzahl der in die Blendenscheibe 20 eingebrachten Blenden 21 je Flächeneinheit konstant ist, dass sich aber die Blendendurchmesser, wie in Fig. 3 gezeigt, in Drehrichtung D verändern. Bevorzugt werden die Blenden auf der Blendenscheibe so ausgeführt, dass mit einer Drehung in Drehrichtung D die Durchmesser der Blenden zunehmen, bis die Blenden mit dem größten Durchmesser 21b auf Blenden mit dem kleinsten Durchmesser 21c stoßen. Damit lässt sich eine im Wesentlichen kontinuierliche Zunahme des durch die Blendenscheibe transmittierten Lichtes erreichen. Gleichwertig sind dabei die Möglichkeiten, entweder die Blenden, unregelmäßig auf der Blendenscheibe anzuordnen oder die Blenden regelmäßig zueinander auf der Blendenscheibe vorzusehen. In jedem Falle ist es mit diesen Anordnungen möglich, die Intensität des aufgeweiteten, einfallenden Lichtstrahles 16 in dem Bereich zwischen dem Sektor 36 und dem Sektor 34 (Fig. 2) zu variieren. Die Variationsmöglichkeiten, d. h. also die Intensität der durchgelassenen Strahlung kann dabei zum einen über die Anzahl und den Durchmesser der Blenden 21 sowie zum anderen über die Strahlaufweitung 16 gesteuert werden.

In einer weiteren, in Fig. 4 gezeigten Ausführung, wird dem Bedürfnis Rechnung getragen, dass die Intensität der einfallenden aufgeweiteten Strahlung 16 in noch größeren Bereichen variiert werden kann. Hierbei wird eine Möglichkeit vorgesehen, ganze Bereiche der einfallenden Strahlung 16 durch die Blendenscheibe 20 passieren zu lassen, indem in die Blendenscheibe 20 eine konzentrische Aussparung 25 insbesondere in Form eines Kreissektors eingebracht wird. Sobald nun die Blendenscheibe 20 so gedreht wird, dass zumindest ein Teil der Aussparung 25 in den Bereich 16a der aufgeweiteten Strahlung fällt, kann dieser Bereich der Blendenscheibe ohne Abschwächung passieren. Damit ist es also möglich, eine aufgeweitete, einfallende Lichtstrahlung 16 auch ohne jegliche Abschwächung durch die Blendenscheibe zu führen. Eine derartig ausgestaltete Blendenscheibe kann auch dazu verwendet werden, dass der aufgeweitete Lichtstrahl 16a seitlich angeschnitten wird. Diese Vorgehensweise ist durch die strichliert angedeutete zweite Position des Lichtstrahles 16a wiedergegeben. Mit dem seitlichen Anschneiden des aufgeweiteten Lichtstrahles 16a besteht somit also eine zusätzliche Möglichkeit, die Intensität des einfallenden, aufgeweiteten Lichtstrahles 16a in weiten Bereichen zu variieren. Zwar kann das transversale Anschneiden des Lichtstrahles 16a zu einer Verformung des transversalen Strahlquerschnittes führen. Dies lässt sich allerdings dadurch heilen, dass das Licht, wie bereits erwähnt, nach dem Passieren der Abschwächungseinrichtung 18 in eine Monomode-Glasfaser eingekoppelt wird und erst nach dem Austritt aus dieser Glasfaser für mikroskopische Zwecke weiterverwendet wird.

Die Blendenscheibe lässt sich aus massivem, lichtundurchlässigem Material fertigen, wobei bevorzugt Stahl, Keramik, Blech oder andere lichtundurchlässige Materialien verwendet werden. Diese haben den großen Vorteil, dass die Verwendbarkeit der Abschwächungsanordnung 18 im Hinblick auf die Intensität des einfallenden Lichtes kaum Grenzen gesetzt sind. Dieser Effekt lässt sich weiterhin dadurch verbessern, dass die Blendenscheibe auf der Lichteinfallsseite spiegelnd beschichtet oder das Material selbst als spiegelnde Fläche ausgeführt ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, an Stelle der beschriebenen Blendenscheiben auch Blendenschieber einzusetzen, die so ausgeführt und in den Strahlengang eingebracht werden, dass sie die gleiche Wirkung wie die Blenden 21 auf der Blendenscheibe haben. Dies bedeutet allerdings, dass die Blendenschieber so angeordnet sein müssen, dass der aufgeweitete Lichtstrahl 16 an einer Mehrzahl von Stellen durch die Blendenschieber in seiner Ausbreitung gehindert wird.

Bezugszeichenliste

10

einfallender Lichtstrahl

12

Strahlaufweitungsoptik

14

Strahlvereinigungsoptik

16

aufgeweiteter Lichtstrahl

16

a aufgeweiteter Lichtstrahl

18

Strahlabschwächungseinrichtung

20

Blendenscheibe

21

Blenden

21

a Blenden

21

b Blenden

21

c Blenden

22

Drehwelle

24

Antrieb

25

Aussparung

26

aufgeweiteter abgeschwächter Lichtstrahl

28

wiedervereinigter abgeschwächter Lichtstrahl

30

Einkoppeloptik

32

Lichtleitfaser

34

Sektor

36

Sektor
D Drehrichtung

Claims (14)

1. Anordnung zur Strahlabschwächung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Strahles (10) mit einer Einrichtung zum Aufweiten (12) des Strahles und einer Abschwächungseinrichtung (18) zum Abschwächen des aufgeweiteten Strahles (16) dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächungseinrichtung (18) eine Mehrzahl von Blenden (21) aufweist, die so auf der Abschwächungseinrichtung (18) ausgeführt und angeordnet sind, dass der aufgeweitete Laserstrahl (16) wenigstens zwei der Blenden (21) zumindest teilweise überdeckt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (21) in eine drehbar gelagerte Scheibe (20) eingebracht sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Blenden (21) je Flächeneinheit der Oberfläche der Abschwächungseinrichtung (18) variiert.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Blenden (21) in einer Drehrichtung der Scheibe (20) variiert.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden (21) so auf der Scheibe (20) angeordnet sind, dass durch Drehen der Scheibe (20) die transmittierte Lichtleistung variiert, insbesondere kontinuierlich variiert werden kann.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächungsanordnung (18) so ausgeführt ist, dass nur die nullte Beugungsanordnung des transmittierten Lichtes verwendet wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Abschwächungsanordnung (18) ein Monomode-Glasfaserleiter so vorgesehen ist, dass das durch die Abschwächungseinrichtung transmittierte Licht den Monomode-Glasfaserleiter (32) so passiert, dass eine Beugungsbegrenzung erzeugt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die drehbar gelagerte Scheibe (20) aus massivem, temperaturunempfindlichem Material gefertigt ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der aufgeweitete Laserstrahl (16) ein im Wesentlichen monochromatischer Laserstrahl ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenscheibe (20) eine konzentrisch sich verengende Ausnehmung (25) aufweist.

11. Mikroskop, insbesondere Raster-Scan-Mikroskop dadurch gekennzeichnet, das das Mikroskop eine Anordnung zur Strahlabschwächung (18) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.

12. Verfahren zur Strahlabschwächung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Strahles (10) insbesondere in einem Raster-Scan-Mikroskop, wobei der Strahl (10) räumlich aufgeweitet und dann einer Abschwächungseinrichtung zur Strahlabschwächung (18) des Strahles zugeführt wird dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächungseinrichtung (18) eine Mehrzahl von Blenden (21) aufweist und der aufgeweitete Strahl (16) so auf die Abschwächungseinrichtung (18) gerichtet wird, dass er wenigstens zwei Blenden (21) zumindest teilweise überdeckt.

13. Anordnung zur Strahlabschwächung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Strahles (10) mit einer Einrichtung zum Aufweiten (12) des Strahles und einer Abschwächungseinrichtung (18) zum Abschwächen des aufgeweiteten Strahles (16) dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächungseinrichtung (18) eine Blendenscheibe (20) aufweist, in welcher wenigstens eine konzentrisch verlaufende Ausnehmung (25) vorgesehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (25) als Kreissektor ausgebildet ist.