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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Multichromatorvorrichtung, eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Multichromatorvorrichtung, eine bildgebende Vorrichtung wie beispielsweise eine Mikroskopvorrichtung mit einer derartigen Multichromatorvorrichtung sowie entsprechende Verfahren. Unter einer Multichromatorvorrichtung ist dabei eine Vorrichtung zu verstehen, mit welchen eine spektrale Verteilung eines eingehenden Lichtstrahls selektiv verändert werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Anmeldung derartige Vorrichtungen und Verfahren, bei denen die Multichromatorvorrichtung bzw. die Beleuchtungsvorrichtung verglichen mit herkömmlichen Vorrichtungen miniaturisiert ist und/oder ohne makroskopisch bewegte Teile bzw. Komponenten auskommt.
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Bei verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, eine spektral einstellbare Beleuchtung zu realisieren, d.h. eine im Wesentlichen beliebige Spektralverteilung in einem Beleuchtungsstrahl zu realisieren. Eine derartige spektral selektive Beleuchtung kann beispielsweise in der Mikroskopie, beispielsweise in der Materialmikroskopie oder bei einem Laser-Scanning-Mikroskop, wünschenswert sein. Auch in der Operationsmikroskopie oder anderen bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik, einschließlich Verfahren während der Operation, kann eine derartige einstellbare Beleuchtung wünschenswert sein.
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Aus der
DE 102 41 472 A1 ist diesbezüglich eine Anordnung zur einstellbaren Veränderung von Beleuchtungslicht bekannt, bei welchem mit einem dispersiven Element eine spektrale räumliche Aufspaltung mindestens eines Strahlungsanteils vorgenommen wird und eine spektrale Selektion beispielsweise mittels eines streifenförmigen Lichtmodulators durchgeführt wird, mit welchem bestimmte Spektralanteile ausgeblendet werden können. Das so spektral veränderte Licht kann mittels eines weiteren dispersiven Elements wieder zusammengeführt werden.
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Eine ähnliche Anordnung ist aus der
DE 198 35 072 A1 bekannt. Bei der dort offenbarten Einrichtung wird eine schaltbare Mikrospiegelanordnung zur Wellenlängenselektion von dispersiv aufgespaltenem Beleuchtungslicht verwendet. Zur Veränderung der Intensität können dabei Spiegel oszillierend geschaltet werden, wobei sich eine mittlere Intensität dann aus einem Tastverhältnis der Oszillation ergibt. Hierfür ist eine Schaltfrequenz des Spiegels nötig, welche deutlich über einer gewünschten Modulationsfrequenz des Spektrums liegt, um im Mittel die gewünschte Intensität bereitstellen zu können.
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Die
DE 10 2004 044 631 A1 offenbart eine Multichromatorvorrichtung mit einem ersten dispersiven Element und einem zweiten dispersiven Element, welche jeweils getrennt voneinander einstückig ausgebildet sein können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, eine vorzugsweise miniaturisierbare Multichromatorvorrichtung, eine entsprechende Beleuchtungsvorrichtung, eine Bildgebungsanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, womit eine Selektion beliebiger Spektralverteilungen und bevorzugt zugleich eine beliebige Intensitätsselektion ermöglicht wird. Spektrale und Intensitätsmodulation können bspw. mit Videorate oder auch schneller verändert werden.
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Diesbezüglich wird eine Multichromatorvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 18 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele sowie eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer entsprechenden Multichromatorvorrichtung und eine bildgebende Vorrichtung mit einer entsprechenden Beleuchtungsvorrichtung.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Multichromatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend: eine Dispersionsanordnung , welche eingerichtet ist, einen eingehenden Lichtstrahl in einer ersten Richtung spektral aufzuspalten, um einen aufgespaltenen Strahl zu erzeugen, einen Lichtmodulator mit einer Vielzahl von Lichtmodulatorelementen, wobei die Lichtmodulatorelemente in der ersten Richtung zur Auswahl eines oder mehrerer Spektralbereiche ansteuerbar sind,
wobei die Dispersionsanordnung weiter eingerichtet ist, Licht von dem Lichtmodulator spektral zu einem Beleuchtungsstrahl zu vereinigen.
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Bevorzugt ist der Lichtmodulator ein zweidimensionaler Lichtmodulator, bei dem die Vielzahl von Lichtmodulatorelementen in der ersten Richtung und in einer zweiten Richtung angeordnet sind, wobei die Lichtmodulatorelemente in der zweiten Richtung zum Einstellen einer Intensität für einen jeweiligen Spektralbereich ansteuerbar sind.
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Durch einen derartigen zweidimensionalen Lichtmodulator kann somit für verschiedene Spektralanteile eine gewünschte Intensität auf einfache Weise eingestellt werden.
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Der Lichtmodulator kann dabei eine Mikrospiegelanordnung umfassen, wobei die Lichtmodulatorelemente Mikrospiegel umfassen können.
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Die Dispersionsanordnung kann ein erstes dispersives Element, welches eingerichtet ist, den eingehenden Lichtstrahl in der ersten Richtung spektral aufzuspalten, um den aufgespaltenen Strahl zu erzeugen, und ein zweites dispersives Element, welches eingerichtet ist, das Licht (15) von dem Lichtmodulator spektral zu dem Beleuchtungsstrahl zu vereinigen., umfassen.
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Das erste dispersive Element und das zweite dispersive Element können einstückig ausgebildet sein, insbesondere monolithisch integriert sein.
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Eine einstückige Implementierung des ersten dispersiven Elements und des zweiten dispersiven Elements kann u.a. Herstellungskosten verringern, insbesondere da Justage-Spezifikationen zwischen dem ersten und dem zweiten dispersiven Element intrinsisch erfüllt sind. Des Weiteren verringern sich die Herstellungskosten bei derartigen Ausführungsbeispielen, da Replikationskosten für ein monolithisches Doppelgitter etwa die Hälfte der Replikationskosten für zwei einzelne Gitter betragen.
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Die Lichtmodulatoranordnung kann eingerichtet sein, eine Einfallsebene des zweiten dispersiven Elements gegenüber einer Einfallsebene des ersten dispersiven Elements zu verdrehen.
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Das zweite dispersive Element kann gegenüber dem ersten dispersiven Element verdreht sein.
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Die Dispersionsanordnung kann auch ein (einziges) dispersives Element, welches eingerichtet ist, den eingehenden Lichtstrahl in der ersten Richtung spektral aufzuspalten, um den aufgespaltenen Strahl zu erzeugen und das Licht von dem Lichtmodulator spektral zu dem Beleuchtungsstrahl zu vereinigen, und eine Polarisationsanordnung (93, 94), welche eingerichtet ist, den Beleuchtungsstrahl auszukoppeln, umfassen.
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Bei einem derartigen Aufbau ist nur ein einziges dispersives Element nötig.
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Dabei kann die Polarisationsanordnung eine zwischen dem dispersiven Element und dem Lichtmodulator angeordnete lambda/4-Platte und einen Polarisationsstrahlteiler umfassen.
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Die oben erwähnten dispersiven Elemente können abbildende dispersive Elemente, und/oder Gitter, insbesondere holografische Gitter wie konkave aberrationskorrigierte holografische Gitter, z.B. so genannte Carl-Gitter, oder auch Volumengitter umfassen.
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Durch die Verwendung von abbildenden dispersiven Elementen ist eine kompakte Bauweise möglich. Durch die Verwendung von konkaven aberrationskorrigierten Gittern, z.B. Carl-Gittern ist ein besonders hoher Lichtdurchsatz bei gleichzeitig hervorragenden Abbildungseigenschaften und damit hoher spektraler Auflösung möglich.
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Die Multichromatorvorrichtung kann weiter einen Eingangsspalt vor der Dispersionsanordnung und einen Ausgangsspalt nach der Dispersionsanordnung umfassen.
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Die Dispersionsanordnung, z.b. die oben erwähnten dispersiven Elemente wie Gitter, kann Justagemarken umfassen.
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Beispielsweise können hohe Justagespezifikationen für einstückige / monolithische Gitter, insbesondere für ein Originalgitter, das als Vorlage für weitere Gitter in der Herstellung dient, durch spezielle Justagemarken sichergestellt werden, welche mittels direktem Laserstrahlschreiben (DWL) auf dem Originalgitter aufgebracht werden und einen „mix & match“ zwischen DWL- und holographischer Technologie erlauben.
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Diese Justagemarken können zur Ausrichtung weiterer optischer Elemente des miniaturisierten Multichromators Verwendung finden, insbesondere des Lichtmodulators oder des Eingangsspaltes oder des Ausgangsspaltes bzw. der Faserenden bei Verwendung von Lichtwellenleitern.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend: eine Lichtquelle, und
eine Multichromatorvorrichtung wie oben beschrieben, welche eingerichtet ist, Licht von der Lichtquelle zu empfangen.
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Die Beleuchtungsvorrichtung kann weiter eine Steuerung zum Ansteuern des Lichtmodulators der Multichromatorvorrichtung zum Auswählen eines gewünschten Spektralanteils von Licht der Lichtquelle umfassen.
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Die Lichtquelle kann eine Breitbandlichtquelle, welche beispielsweise einen gesamten interessierenden Spektralbereich abdeckt, umfassen.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird eine bildgebende Vorrichtung bereitgestellt, umfassend: eine Beleuchtungsvorrichtung wie oben beschrieben zum Beleuchten einer Probe, und eine Bildaufnahmevorrichtung zum Aufnehmen von der Probe in Antwort auf die Beleuchtung ausgehendem Licht.
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Die Bildaufnahmevorrichtung kann eine Mikroskopeinrichtung umfassen.
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Die Bildaufnahmevorrichtung kann eine Kameraeinrichtung umfassen.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend:
- Beleuchten eines Lichtmodulators mit in erster Richtung spektral aufgespaltenen Lichts, Ansteuern des Lichtmodulators in einer ersten Richtung zur Auswahl von Spektralbereichen und optional auch in einer zweiten Richtung zur Einstellung einer Intensität für jeweilige Spektralbereiche, und
- Zusammenführen von Licht von dem Lichtmodulator zu einem Beleuchtungsstrahl.
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Das Verfahren kann mittels einer der oben beschriebenen Vorrichtungen durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele eignen sich insbesondere zur Durchführung eines spektralen Scannens (Staring), bei welchem beispielsweise eine Kamera nacheinander räumlich zweidimensionale Bilder eines Gebiets aufnimmt, wobei dieses Gebiet bei den Aufnahmen mit verschiedenen Spektren, beispielsweise spezifischen Spektralverteilungen oder verschiedenen Spektralfarben, beleuchtet wird, und entsprechend streut. Die spezifischen Spektralverteilungen können insbesondere angepasste (z.B. für eine bestimmte Probe oder Probenart angepasste) Spektralverteilungen sein, die hinsichtlich Wellenlängen und der den jeweiligen Wellenlängen zugeordneten Intensität eingestellt werden können.
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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Lichtmodulators, welcher in Ausführungsbeispielen verwendbar ist,
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 5 , 6, 7A und 7B Darstellungen zur Veranschaulichung von Multichromatoren gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele,
- 8 eine Bildgebungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
- 9 ein Multichromator gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen oder Elementen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale oder Elemente zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale oder Elemente und/oder alternative Merkmale oder Elemente aufweisen.
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Zudem können Merkmale oder Elemente verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele umfassen zweidimensionale Lichtmodulatoren. Hierunter ist ein räumlicher Lichtmodulator zu verstehen, welcher in zumindest zwei Dimensionen (Raumrichtungen) beispielsweise durch Schalten einzelner Elemente auf ihn treffendes Licht räumlich modulieren kann.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsvorrichtung schematisch dargestellt. Die Beleuchtungsvorrichtung der 1 umfasst eine Lichtquelle 10 zum Erzeugen eines Lichtstrahls 11. Die Lichtquelle 10 kann dabei insbesondere eine Breitbandlichtquelle, d.h. spektral breitbandige Lichtquelle sein, beispielsweise eine Weißlichtquelle. Der Spektralbereich der Lichtquelle 10 hängt dabei von einer gewünschten Anwendung ab und kann beispielsweise auch im Infrarotbereich oder im Ultraviolettbereich liegen bzw. derartige Bereiche oder Teile hiervon umfassen. In anderen Worten ist die Verwendung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht auf sichtbares Licht begrenzt.
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Der Lichtstrahl 11 gelangt bei dem Ausführungsbeispiel der 1 zu einer Multichromatorvorrichtung, welche ein erstes dispersives Element 12, einen zweidimensionalen räumlichen Lichtmodulator 14 und ein zweites dispersives Element 16 umfasst. Das erste dispersive Element 12 spaltet den Lichtstrahl 11 in einer ersten Richtung spektral zu einem Lichtstrahl 13 auf, sodass spektral in der ersten Richtung aufgespaltenes Licht auf den Lichtmodulator 14 fällt. Der Lichtmodulator 14 wählt dann gewünschte Spektralanteile sowie bei manchen Ausführungsbeipsielen auch deren Intensität aus, um einen spektral modifiziertes Lichtbündel 15 zu erhalten. Das zweite dispersive Element 16 vereint die spektralen Anteile des Lichtbündels 15 wieder zu einem Ausgangslichtstrahl 17, welcher dann für verschiedene Anwendungen als Beleuchtungslichtstrahl dienen kann.
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Das erste dispersive Element 12 und das zweite dispersive Element 16 können beispielsweise abbildende dispersive Elemente, beispielsweise abbildende holografische Elemente wie holografische Gitter, beispielsweise konkav aberrationskorrigierte Gitter, im Folgenden auch als Carl-Gitter bezeichnet, sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch herkömmliche dispersive Elemente wie beispielsweise andere herkömmliche Gitter verwendet werden. Im Falle von nicht abbildenden dispersiven Elementen 12, 16 können zusätzliche Elemente wie z.B. Linsen oder Spiegel bereitgestellt sein, um beispielsweise Licht von dem dispersiven Element 12 auf den Lichtmodulator 14 und von dort auf das dispersive Element 16 abzubilden. Durch die Verwendung von abbildenden dispersiven Elementen wie beispielsweise holografisch abbildenden Elementen oder auch gekrümmten Gittern ist jedoch ein kompakterer Aufbau der Multichromators möglich, da gegebenenfalls keine weiteren optischen Elemente benötigt werden. Das Design der dispersiven Elemente 12, 16, beispielsweise Gitter wie z.B. holografische Carl-Gitter, kann entsprechend einem geforderten Spektralbereich theoretisch optimiert und entsprechend spezifiziert werden, um den Lichtleitwert (etendue) des Multichromators und/oder die Gittereffizienzen zu maximieren und/oder Streulicht und/oder Falschlicht zu minimieren.
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Der Lichtmodulator 14 kann insbesondere eine Mikrospiegelanordnung (beispielsweise eine DMD-Anordnung, vom Englischen „Digital Micromirror Device“) umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Lichtmodulator beispielsweise ein Flüssigkristallfeld umfassen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird der Lichtstrahl 11 durch das dispersive Element 12 in der ersten Richtung spektral aufgespalten. Durch Ansteuern des Lichtmodulators 14 in der ersten Richtung kann somit eine spektrale Auswahl getroffen werden. Durch Ansteuern in der zweiten Richtung kann zudem bei manchen Ausführungsbeispielen die Intensität für jeweilige Spektralanteile eingestellt werden.
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Dies wird nunmehr unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. In 2 ist ein Beispiel für einen zweidimensionalen Lichtmodulator 20 dargestellt. Der Lichtmodulator 20 kann beispielsweise eine Mikrospiegelanordnung mit einer Vielzahl von Mikrospiegeln 21 sein. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Mikrospiegel 21 in einem Feld von 13x7 Mikrospiegeln angeordnet. Dies dient jedoch lediglich als veranschaulichendes Beispiel, und es können andere Anzahlen von Mikrospiegeln vorhanden sein, insbesondere auch deutlich mehr Mikrospiegel. Beispielsweise können über 200, über 1000 oder sogar über 4000 Mikrospiegel in jeder Richtung bereitgestellt sein. Die einzelnen Spiegel 21 können dann zwischen bspw. zwei Zuständen umgeschaltet werden. In einem ersten Zustand wird beispielsweise Licht von dem ersten dispersiven Element 12 dann zu dem zweiten dispersiven Element 16 hin weitergeleitet, während das Licht in dem zweiten Zustand aus dem Strahlengang herausgenommen wird und beispielsweise zu einer Lichtfalle geleitet wird. Ein Pfeil 22 gibt eine Richtung einer spektralen Aufspaltung beispielsweise durch das erste dispersive Element 12 der 1 an. Für manche Korrekturen können die einzelnen Spiegel bei manchen Ausführungsbeispielen zwischen mehr als zwei Zuständen umgeschaltet werden.
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Somit entspricht beispielsweise jede Spalte der Mikrospiegelanordnung einem bestimmten Wellenlängenbereich. Somit kann durch variable Ansteuerung des Lichtmodulators 20 in Richtung des Pfeils 22 ein gewünschter Spektralbereich ausgewählt werden, und durch Ansteuerung in einer Richtung, wie in durch einen Pfeil 23 angedeutet, kann eine gewünschte Intensität für jeden Spektralbereich eingestellt werden, indem beispielsweise mehr oder weniger Mikrospiegel 21 „aktiviert“ werden, d.h. so geschaltet werden, dass auf den jeweiligen Mikrospiegel fallendes Licht zum Ausgangsstrahl beiträgt. Eine derartige Ansteuerung eines Lichtmodulators kann beispielsweise durch eine Steuerung wie eine Steuerung 18 in 1 erfolgen. Die verschiedenen Komponenten sind dabei bevorzugt aufeinander abgestimmt. Beispielsweise kann eine Höhe des Lichtmodulators auf eine Ausdehnung eines Eingangs- und/oder Ausgangsspaltes abgestimmt sein, und eine Breite der Lichtmodulatoranordnung kann auf eine gewünschte oder von einer Lichtquelle erzeugte Spektrenlänge abgestimmt sein. Bevorzugt wird hierdurch die Lichtmodulatoranordnung in Richtung der Pfeile 22, 23 möglichst weitgehend ausgeleuchtet.
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Zu bemerken ist, dass die Richtungen in 2 (horizontal und vertikal für die Pfeile 22 und 23) lediglich als Beispiel in der Zeichnung der 2 dienen, und eine entsprechende Lichtmodulatoranordnung wie eine Mikrospiegelanordnung im Wesentlichen beliebig im Raum angeordnet sein kann.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann Licht, welches nicht von der Lichtmodulatorvorrichtung 14 zu dem zweiten dispersiven Element 16 hin geleitet wird, auch zu einem weiteren Ausgang geleitet werden und/oder einem weiteren Detektor geleitet werden, was beispielsweise zu Kalibrierungs- und/oder Referenzzwecken verwendet werden kann. Insbesondere kann somit eine Referenzintensität des Lichts bestimmt werden. Auch zur Kalibrierung kann eine derartige Anordnung verwendet werden. Hierzu können auch ein oder mehrere weitere Spiegel bereitgestellt werden, um das von dem Lichtmodulator 14 nicht zu dem zweiten dispersiven Element 16 hin geleitete Licht an einen gewünschten Ort zu lenken.
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In 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verfahren der 3 kann beispielsweise mittels der unter Bezugnahme auf die 1 und 2 diskutierten Beleuchtungsvorrichtung implementiert werden, ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann beispielsweise auch mittels weiterer später noch zu diskutierender Ausführungsbeispiele implementiert werden.
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Während das Verfahren der 3 als Abfolge verschiedener Schritte beschrieben ist, ist diese sequentielle Reihenfolge nicht als einschränkend auszulegen. Insbesondere können die dargestellten Schritte auch gleichzeitig und/oder wiederholt durchgeführt werden, beispielsweise parallel durch verschiedene Komponenten einer Beleuchtungsvorrichtung wie der Beleuchtungsvorrichtung der 1.
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In Schritt 30 wird ein zweidimensionaler Lichtmodulator, beispielsweise eine Mikrospiegelanordnung, mit in erster Richtung spektral aufgespaltetem Licht beleuchtet. Die spektrale Aufspaltung kann dabei durch ein dispersives Element, insbesondere ein abbildendes dispersives Element, wie beispielsweise ein holografisch hergestelltes Gitter, erfolgen.
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In Schritt 31 wird der Lichtmodulator, insbesondere Elemente hiervon wie beispielweise Mikrospiegel, in einer ersten Richtung zur spektralen Selektion und optional zudem in einer zweiten Richtung zur Intensitätseinstellung für jeden einer Vielzahl von Spektralbereichen angesteuert. Dies kann beispielsweise wie unter Bezugnahme auf 2 erläutert erfolgen.
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In Schritt 33 wird das Licht vom Lichtmodulator wieder in einen Beleuchtungsstrahl zusammengeführt, welcher dann beispielsweise zur optischen Untersuchung einer Probe dienen kann. Diese Zusammenführung kann durch ein weiteres dispersives Element, insbesondere ein abbildendes dispersives Element, erfolgen.
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In 4 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt.
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Das Ausführungsbeispiel der 4 weist eine Lichtquelle 40 auf, welche in einem gewünschten Spektralbereich emittiert. Die Lichtquelle 40 kann beispielsweise wie für die Lichtquelle 10 der 1 diskutiert, ausgestaltet sein.
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Licht von der Lichtquelle 40 gelangt durch einen Eingangsspalt 41 auf ein erstes Gitter 42, welches den Lichtstrahl spektral aufspaltet. Die Lichtquelle 40 kann beispielsweise Hochdrucklampen, Laser, Leuchtdioden, organische Leuchtdioden, Breitbandlichtquellen oder andere Quellen umfassen. Das Gitter 42 kann insbesondere ein abbildendes Gitter sein, beispielsweise ein abbildendes holografisches Gitter. Derartige abbildende Gitter können beispielsweise Rowland-Gitter, Offner-Gitter oder konkav-aberrationskorrigierte Gitter sein. Dabei kann z.B. mit einem konkav-aberrationskorrigierten Gitter eine kompakte Anordnung erreicht werden. Das spektral aufgespaltene Licht, beispielsweise in erster Beugungsordnung des Gitters 42, wird zu einer Mikrospiegelanordnung 44 gelenkt. Mittels der Mikrospiegelanordnung 44 erfolgt eine spektrale Einstellung bzw. Selektion und zudem optional eine Einstellung hinsichtlich der Intensität in verschiedenen Spektralbereichen. Dies kann insbesondere wie bereits unter Bezugnahme auf die 2 erläutert, erfolgen. Das so modifizierte Licht gelangt von der Mikrospiegelanordnung 44 zu einem zweiten Gitter 43, welches wiederum als abbildendes Gitter, wie bereits für das Gitter 42 diskutiert, ausgestaltet sein kann. Von dem zweiten Gitter 43 gelangt dann Licht zu einem Ausgangsspalt 45. Anstelle von Gittern können auch Prismen zur spektralen Aufspaltung bzw. Vereinigung verwendet werden. Die Gitter 42, 43 können einstückig ausgebildet sein, insbesondere monolithisch integriert hergestellt werden, was die Herstellungskosten verringern kann. Auch Justage und Montage kann durch eine gemeinsame monolithische Fertigung der Gitter 42, 43 verbessert werden. Dabei sind verschiedene Konfigurationen möglich. Insbesondere kann eine einstückige Implementierung der Gitter 42, 43 Herstellungskosten verringern, da Justage-Spezifikationen zwischen dem ersten und dem zweiten dispersiven Element intrinsisch erfüllt sind. Des Weiteren verringern sich die Herstellungskosten bei derartigen Ausführungsbeispielen, da Replikationskosten für ein monolithisches Doppelgitter etwa die Hälfte der Replikationskosten für zwei einzelne Gitter betragen.
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Die Gitter 42, 43 oder andere dispersive Elemente können insbesondere auch im Fall der einstückigen Ausbildung Justagemarken aufweisen. Beispielsweise können hohe Justagespezifikationen für ein derartiges einstückiges / monolithisches Gitter, insbesondere für ein Originalgitter, das als Vorlage für weitere Gitter in der Herstellung dient, durch spezielle Justagemarken sichergestellt werden, welche mittels direktem Laserstrahlschreiben (DWL) auf dem Originalgitter aufgebracht werden und einen „mix & match“ zwischen DWL- und holographischer Technologie erlauben.
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Diese Justagemarken können zur Ausrichtung weiterer optischer Elemente des Multichromators Verwendung finden, insbesondere des Lichtmodulators oder des Eingangsspaltes oder des Ausgangsspaltes.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann optional vor der Mikrospiegelanordnung 44 nahe bei dieser eine Korrekturplatte 46, z.B. eine Phasenfront-Korrekturplatte, angeordnet sein. Hierdurch ist eine weitere Verbesserung der Abbildungsqualität möglich. Die Korrekturplatte 46 ist in Dispersionsrichtung segmentiert. Jedes Segment kann sowohl durch ein refraktiv mikrooptisches als auch durch ein diffraktives Element realisiert werden. Die Breite der Einzelsegmente in Dispersionsrichtung kann je nach zu realisierender Spezifikation (Auflösung) etwa der Breite eines Mikrospiegels der Mikrospiegelanordnung 44 oder auch der Breite mehrerer Mikrospiegel entsprechen. Vorteilhafterweise ist die Breite der Einzelsegmente der Korrekturplatte 46 in Dispersionsrichtung etwas größer als die reale Mikrospiegelbreite - letztere unterliegt einem endlichen Füllfaktor, während die Korrekturplatte mit einem Füllfaktor von nahezu 100 % realisiert werden kann.
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Beispielsweise kann wie dargestellt eine Doppelmonochromatokonfiguration mit zwei Gittern verwendet werden, wobei mittels der Mikrospiegelanordnung 44 (zum Beispiel DMD) eine Einfallsebene des zweiten Gitters 43 bezüglich der Einfallsebene des ersten Gitters 42 verdreht wird. Insbesondere werden hierzu die Winkel von Spiegeln der Mikrospiegelanordnung 44 entsprechend eingestellt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Position des Ausgangsspaltes 45 durch Verdrehung und/oder Verschiebung des zweiten Gitters 43, um so eine Trennung vom Ort des Eingangsspaltes 41 zu realisieren. Alternativ kann die Position des Ausgangsspaltes auch durch Verdrehung und/oder Verschiebung des zweiten Gitters 43 eingestellt werden. Diese Möglichkeiten werden später noch unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 veranschaulicht. Bei anderen Ausführungsbeispielen können statt abbildender Gitter 42, 43 auch Kombinationen von Gittern und Spiegeln, beispielsweise von Plangittern mit Parabolspiegeln, zur Herstellung eines gewünschten Strahlengangs, beispielsweise kollimierten Strahlengangs, verwendet werden.
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Als Nächstes werden unter Bezugnahme auf die 5 bis 7 die oben bereits diskutieren Ausführungsformen weiter veranschaulicht. Allgemein spannen ein Gittervektor und ein Normalenvektor im Scheitel der Gitter (erstes und zweites Gitter) eine Einfallsebene auf. Liegen einfallendes und gebeugtes Licht in dieser Einfallsebene, wird dies hier als in-plane-Beugung bezeichnet, andernfalls als off-plane-Beugung. Bei einer symmetrischen Anordnung beider Gitter fallen die Orte von Eintritts- und Austrittsspalt zusammen, was praktisch kaum in einer Vorrichtung realisiert werden kann. Daher sind in den 5-7 einige Möglichkeiten dargestellt, durch Verdrehung eines oder beider Gitter, die Orte von Ein- und Austrittsspalt zu trennen.
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5 zeigt ein Beispiel für den Fall, bei dem mittels einer Mikrospiegelanordnung einer Einfallsebene eines zweiten Gitter 52 bezüglich einer Einfallsebene eines ersten Gitters 51 verdreht wird. Die Position einer Mikrospiegelanordnung ist dabei mit 50 bezeichnet. 53 bezeichnet einen Eingangsspalt, von dem ein Eingangsstrahl ausgeht, und 54 bezeichnet einen Austrittsspalt. In 5 wird das erste Gitter 51 in-plane und das zweite Gitter 52 off-plane beleuchtet. Hierzu sind die Mikrospiegelanordnung bei 50 und das zweite Gitter 52 um beispielsweise unterschiedliche Winkel θy (z.B. um die dargestellte y-Richtung) verdreht.
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In 6 ist mit 61 ist ein erstes Gitter, mit 62 ein zweites Gitter und mit 60 eine Position einer Mikrospiegelanordnung bezeichnet. 63 bezeichnet einen Austrittsspalt, 64 einen Eingangsspalt. Das erste Gitter 61 und das zweite Gitter 62 sind in-plane beleuchtet, durch Drehung des zweiten Gitters 62 um einen Winkel θx (z.B. um die eingezeichnete eingezeichnete x-Richtung) wird die Lage des Ausgangsspaltes in der Darstellung der 6 nach ,unten‘ bewegt. Die Einfallsebenen der Gitter 61, 62 sind hier identisch.
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Die 7A und 7B zeigen weitere Varianten, wobei 71 eine Position einer Mikrospiegelanordnung, 72 ein erstes Gitter, 73 ein zweites Gitter, 70 eine Position eines Eingangsspaltes und 71 eine Position eines Ausgangsspaltes zeigt. 7A zeigt eine asymmetrische Variante, während 7B eine symmetrische Variante zeigt.
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In 7A ist das erste Gitter 72 in-plane und das zweite Gitter 73 off-plane beleuchtet. Durch Drehung des zweiten Gitters 73 um einen Winkel θy (z.B. um die dargestellte y-Richtung) ist die Lage des Ausgangsspaltes 74 in der Darstellung der 7A nach ,rechts' bewegt.
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In 7B sind das erste Gitter 82 und das zweite Gitter 73 off-plane beleuchtet. Durch Drehung der Gitter 72, 73 um θy in entgegengesetzte Richtungen ergibt sich die Lage des Ausgangsspaltes 74 symmetrisch an der Mikrospiegelanordnung bei 71 gespiegelt zur Lage des Eingangsspaltes 70.
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In 9 ist eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 ist gegenüber den oben diskutierten Ausführungsbeispielen nur ein einziges dispersives Element, z.B. ein einziges Gitter 91, bereitgestellt, welches die Funktion z.B. der Gitter 42,43 der 4 übernimmt. Das Gitter 91 kann wiederum als Carl-Gitter ausgebildet sein. Die Trennung zwischen eingehendem und ausgehenden Strahl erfolgt über die Polarisation, wie im Folgenden näher erläutert werden wird.
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Licht von einer Quelle 90 (z.B. einem Eintrittsspalt, der von einer Breitbandlichtquelle beleuchtet wird) gelangt über einen Polarisationsstrahlteiler 94 zu dem Gitter 91. Der Polarisationsstrahlteiler polarisiert das Licht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel linear. Das Gitter 91 spaltet das Licht spektral auf und bildet es auf einen Lichtmodulator 92 ab. Der Lichtmodulator 92 kann wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen arbeiten, um eine spektrale Selektion und optional eine Intensitätseinstellung durchzuführen.
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Zwischen dem Gitter 91 und dem Lichtmodulator 92 ist eine insbesondere diffraktive lambda/4-Platte 93 mit gechirpter Periode (chirped zero order grating, CZOG) angeordnet. Das Licht gelangt von dem Lichtmodulator 92 zurück zu dem Gitter 91, wodurch das Licht die lambda/4-Platte 93 zweimal durchläuft, was eine Polarisationsdrehung um 90° bewirkt. Der Lichtmodulator 92 selbst ist so eingerichtet, dass er die Polarisation des Lichtes im Wesentlichen unverändert lässt.
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Das Licht wird dann von dem Gitter 91 wieder spektral vereinigt und zu dem Polarisationsstrahlteiler 94 hin gelenkt und dort aufgrund der um 90° gedrehten Polarisation zu einem Ausgang 95 (z.B. Ausgangsspalt) hin ausgekoppelt.
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Auf diese Weise kann ein Aufbau mit nur einem Gitter realisiert werden.
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In 8 ist eine bildgebende Vorrichtung, insbesondere eine Mikroskopvorrichtung 85 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die bildgebende Vorrichtung der 8 kann beispielsweise eine Vorrichtung für die Medizin/Biomedizin sein, oder auch eine Vorrichtung zur Materialanalyse und stellt ein Beispiel für eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 80 dar. Die Beleuchtungsvorrichtung 80 kann dabei wie unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 4 bis 7 und 9 erläutert ausgestaltet sein und kann insbesondere Licht mit einstellbarer Spektralverteilung erzeugen. Die Beleuchtungsvorrichtung 80 kann dabei insbesondere so kompakt (miniaturisiert) sein, dass sie innerhalb der Mikroskopvorrichtung 85 angeordnet sein kann.
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Ein Beleuchtungsstrahl 81, welcher von der Beleuchtungsvorrichtung 80 erzeugt wird, fällt auf eine Probe 82. Von der Probe 82 in Antwort auf die Beleuchtung mit dem Licht 81 ausgehendes Licht 83 wird beispielsweise von einer Mikroskopeinrichtung 84 (z.B. Mikroskopobjektiv und damit verbundener Detektionseinheit) erfasst. Die Detektionseinheit der Mikroskopeinrichtung 84 kann hierzu insbesondere eine Kamera (nicht dargestellt) aufweisen. Im Betrieb kann die spektrale Verteilung des Beleuchtungsstrahls 81 durch entsprechende Einstellung der Beleuchtungsvorrichtung 80 wechseln, und die Mikroskopeinrichtung 84 kann Bilder der Probe 82 für verschiedene Beleuchtungsspektren aufweisen. Aus den aufgenommenen Bildern können dann Eigenschaften der Probe 82 bestimmt werden. Derartige Analysen werden auch als Hyperspektral-Analysen bezeichnet. Diese können wie bereits erläutert in der Medizin/Biomedizin beispielsweise zur Perfusion- und Aktivitätsuntersuchung von Blut und Gewebe oder zur Tumordiagnose, in der Mikroskopie, der Landwirtschaft, der Landschaftserkundung, der chemischen Analyse (Gasselektion, Sortieren von Kunststoffen, Gefahrstoffen) der Lebensmittelüberwachung, der Kunst (beispielsweise Analyse von Gemälden), in der Physik, Geologie, Mineralogie, Biologie und insbesondere in der Pharmazie (zum Beispiel Auswirkung molekularer Informationen im Infraroten, beispielsweise zur Entwicklung neuer pharmazeutischer Produkte, zur automatisierten Fertigungskontrolle, oder zur Kontaminationsüberwachung gelagerter Produkte) oder auch für industrielle Prozesse (beispielsweise Materialidentifikation auf Fließbändern, chemical colour imaging) eingesetzt werden. Je nach Einsatzgebiet kann dabei die Mikroskopeinrichtung 84 durch eine andere geeignete Bildaufnahmeeinrichtung ersetzt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Analyse der Fluoreszenz von Biomarkern.
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Dabei kann bei manchen Anwendungen ein Differenzbild zwischen aufgenommenen Bildern mit bspw. zwei verschiedenen angepassten Spektralverteilungen verwendet werden. Bei anderen Ausführungsbeispiel, z.B. bei der Fluoreszenzfarbstoffdetektion , können auch mehr Bilder mit mehr unterschiedlichen Spektralverteilungen, z.B. 4 bis 6 Bilder (oder mehr) benutzt werden. In vielen Anwendungen, wo herkömmlicherweise z.B. Farbfilter-Räder zur Anwendung kamen, typischerweise also z.B. 4 bis 6 (selten auch mehr) Farbfilter zur Anregung von Fluoreszenzfarbstoffen, ist der Ersatz dieser Farbfilter durch einen einfacheren und kleineren Multichromator wie oben beschrieben ohne bewegte makroskopische Teile vorteilhaft,. Hierbei wird eine deutlich schnellere Variation zwischen den verschiedenen Spektralbereichen ermöglicht, was für sämtliche Fluoreszenzanalysen bspw. in allen Multiwell-Analysen wichtig ist. Zudem ist bei der herkömmlichen Herangehensweise der Nachweis unterschiedlicher über verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe gelabelter Bestandteile häufig dadurch begrenzt, dass die einzelnen Anregungsspektren der Fluoreszenzfarbstoffe stark überlappen.
Bereits das schnelle spektrale Scannen mit hoher Auflösung, in Verbindung mit intelligenter bspw. multivarianter Datenanalyse bietet die Möglichkeit einer Signaldetektion mit deutlich höherem Informationsgehalt.
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Die Anregung mit jeweils optimierten Anregungsspektren erlaubt schließlich ein besonders hohes Signal-Rausch-Verhältnis durch eine optimierte Kreuzkorrelation zwischen spektraler Verteilung des Anregungslichtes und detektiertem emittierten Licht.
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Durch die Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung wie hier beschrieben, insbesondere des dargestellten Multichromators, können sich dabei folgende Vorteile ergeben:
- - Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben die Erzeugung einer nahezu beliebigen Spektralverteilung abhängig von dem von einer Lichtquelle bereitgestellten Licht und erlaubt damit beispielsweise in Verbindung mit einem ortsauflösenden Sensorsystem wie einer Kamera für ein bestimmtes Spektrum die Aufnahme eines insbesondere zweidimensionalen Gesamtbildes zu einem einzigen Zeitpunkt. Bei dem bestimmten Spektrum kann es sich hierbei sowohl um einen nahezu monochromatischen Bereich oder um einen Spektralbereich endlicher Breite oder auch um die Kombination einer nahezu beliebigen Anzahl an Spektralbereichen nahezu beliebiger Bandbreite handeln, begrenzt durch die Verteilung der Lichtquelle und der Auflösung der Lichtmodulatoranordnung, beispielsweise Mikrospiegelanordnung. Eine spektrale Vorselektion kann hierbei besonders auf hoch aufgelöste Einzelbereiche erfolgen. Dabei kann jedem örtlich identifizierbaren Flächenelement δ (x, y) auf einer untersuchten Probenoberfläche in den aufgenommenen Daten ein Spektrum mit Intensität pro Wellenlänge Ä bzw. δ Ä oder je Wellenlängenbereich zugeordnet werden.
- - Des Weiteren erlaubt das dargestellte optische Design eine Miniaturisierung des Multichromators insbesondere auch durch die Verwendung abbildender dispersiver Elemente. Eine Größe des Multichromators kann dabei beispielsweise im Bereich 10x10 Zentimeter oder 1x1 Zentimeter liegen, kann jedoch je nach Anwendung auch darüber oder darunter liegen.
- - Mit einer Multichromatorvorrichtung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen, die in einem Beleuchtungsstrahlengang wie z.B. in 8 gezeigt angeordnet sind, können insbesondere Nachteile herkömmlicher Hyperspektralkameras ausgeglichen werden, da bei einer solchen Anordnung lediglich ein ortsaufgelöstes Sensorsystem, beispielsweise eine entsprechende Kamera, bereitgestellt werden muss, während die Auswahl der Spektraleigenschaften durch eine entsprechende Modifikation des Beleuchtungslichts durch die Multichromatorvorrichtung erfolgt.
- - Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können verschiedene Spektralbereiche mit gewünschten Intensitäten innerhalb sehr kurzer Schaltzeiten (im Wesentlichen beschränkt durch die Schaltzeiten der Mikrospiegelanordnung) angesteuert und ausgewertet werden, beispielsweise mit einer üblichen Videorate mit beispielsweise 25 Bildern pro Sekunde (fps, vom Englischen „Frame per Second“), 30 fps, 50 fps oder 60 fps, auch wenn bei anderen Ausführungsbeispielen auch andere Raten verwendet werden können.
- - Je nach verwendeten Lichtquellen, dispersiven Elementen wie beispielsweise Gittern und Detektoren können die dargestellten Ausführungsbeispiele im Wesentlichen für beliebige Spektralbereiche benutzt werden.
- - Die dargestellten Techniken erlauben insbesondere eine zeitlich hoch aufgelöste Hyperspektralanalyse, wobei räumliche, zeitliche und spektrale Auflösung unabhängig voneinander optimiert werden können, da insbesondere für die spektrale Auflösung mit der dargestellten Multichromatorvorrichtung eine separate Einheit bereitgestellt ist, welche von andere Komponenten im Wesentlichen unabhängig arbeitet.
- - Zudem beinhalten Ausführungsbeispiele der Erfindung keine makroskopisch mechanisch bewegten Teile, sondern allenfalls die beweglichen Mikrospiegel, welche beispielsweise als mikroelektromechanisches System (MEMS) implementiert sein können. Somit weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vergleichsweise geringen Verschleiß auf.
- - Bei entsprechender Ansteuerung einer Kamera können auch Messungen mit hohem Dynamikbereich (HDR; vom Englischen „High Dynamic Range“) durchgeführt werden.
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Somit können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere der folgenden wirtschaftlichen und/oder konzeptionellen Vorteile bieten: geringe Systemkosten, beispielsweise durch minimalen Montage- und minimalen Justageaufwand, eine modulare Kombination diverser photometrischer Anforderungen bezüglich beispielsweise spektraler Bandbreiten, oder Auflösungen, was kurze Reaktionszeiten auf geänderte Bedürfnisse ermöglicht, einen geringeren Bauraum, was neben einem geringeren Volumen auch eine geringere Masse bedeutet und/oder einen vergleichsweise geringen Energieeintrag in eine Probe, da die spektrale Beleuchtung den spezifischen Anforderungen genau angepasst werden kann. Somit bieten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen. Der Bereich der vorliegenden Anmeldung ist jedoch nicht auf die spezielle dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt, sondern diese dienen lediglich der Veranschaulichung.
