Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung eines akustooptischen Bauteils

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines akustooptischen Bauteils zum Beeinflussen hindurchtretenden Lichts, insbesondere zum Beeinflussen des Beleuchtungslichts und/oder des Detektionslichts im Strahlengang eines Mikroskops, vorzugsweise eines konfokalen Laserscanmikroskops, mit einem Radiofrequenzgenerator zur Versorgung des akustooptischen Bauteils mit einer Radiofrequenz. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren sowie Verwendungen bzw. Anwendungen sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens.

Es geht hier grundsätzlich um die Ansteuerung akustooptischer Bauteile zum Beeinflussen hindurchtretenden Lichts. Solche Bauteile umfassen üblicherweise einen akustooptischen Kristall, an dem ein elektrischer Transducer vorgesehen ist. Der Transducer besteht üblicherweise aus einem piezoelektrischen Material und einer darüber und darunter liegenden Elektrode. Durch elektrisches Beschälten der beiden Elektroden mit Radiofrequenzen, die üblicherweise im Bereich zwischen 30 MHz und 800 MHz liegen, wird das piezoelektrische Material in Schwingung versetzt, so dass eine akustische Welle (Schallwelle) entsteht, die aufgrund der Anordnung des Transducers den Kristall durchläuft. Die Schallwelle wird nach Durchlaufen des optischen Wechselwirkungsgebiets an der gegenüberliegenden Kristallseite üblicherweise absorbiert oder wegreflektiert. Akustooptische Kristalle, wie sie bei den hier in Rede stehenden akustooptischen Elementen Anwendung finden, zeichnen sich dadurch aus, dass die entstehende Schallwelle die optische Eigenschaft des Kristalls verändert, wobei durch den Schall ein optisches Gitter oder eine vergleichbare optisch aktive Struktur, beispielsweise in Form eines Hologramms, induziert wird. Durch den Kristall hindurchtretendes Licht erfährt an dem so entstehenden optischen Gitter eine

Beugung, wobei das Licht in verschiedene Beugungsordnungen oder Beugungsrichtungen gelenkt wird.

Bei den hier in Rede stehenden akustooptischen Bauteilen unterscheidet man zwischen Bauteilen, die das gesamte einfallende Licht mehr oder weniger unabhängig von der Wellenlänge beeinflussen (z.B. AOM, AOD und Frequency Shifter) und Bauteilen, die beispielsweise in Abhängigkeit der Radio frequenzen selektiv auf einzelne Wellenlängen wirken (z.B. AOTFs).

Häufig bestehen die akustooptischen Elemente aus doppelbrechenden Kristallen, wie beispielsweise Tellurdioxid, wobei die Lage der Kristallachse relativ zur Einfallebene des Lichts und seiner Polarisation die optischen Eigenschaften des akustooptischen Elements bestimmt.

Bei konkreten Anwendungen wird wahlweise das durch die Beugung unbeeinflusste Licht, das in verschiedene Beugungsordnungen abgelenkte Licht oder sowohl das unbeeinflusste als auch das abgelenkte Licht genutzt.

Bei den aus der Praxis bekannten akustooptischen Bauteilen wird die Radiofrequenz (RF) üblicherweise über ein Koaxialkabel dem akustooptischen Bauteil zugeführt. Dort erfolgt auf einer Elektronikplatine eine Impedanzanpassung, wobei zu beachten ist, dass es zu keinen RF-Reflexionen kommt. Es soll möglichst viel RF-Leistung zum Kristall gelangen, der üblicherweise eine andere Impedanz als das RF-Kabel hat. Von der Elektronikplatine wird die Radiofrequenz zum Transducer auf dem Kristall weitergeleitet, wo die akustische Welle erzeugt wird.

In der Vergangenheit wurden die hier in Rede stehenden akustooptischen Bauteile, vor allem bei AOTFs, meist dazu verwendet, Lichtintensitäten einzustellen und zu regeln. Neuerdings besteht der Bedarf, entsprechende Bauteile zum „Ausschneiden"

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von bestimmten Anteilen des Lichts aus einem mehr oder weniger spektral breitban- digen Licht zu nutzen. Dazu sei lediglich beispielhaft auf die DE 101 15 488 Al verwiesen.

Die hier in Rede stehenden akustooptischen Bauteile dienen im Rahmen der zuvor angesprochenen Verwendungen vor allem zum Ausschneiden bestimmter spektraler Anteile einer kontinuierlichen oder breitbandigen Lichtquelle zu Beleuchtungszwecken. Dazu sei lediglich beispielhaft auf die Verwendung in Verbindung mit Weißlichtlasern, Breitbandlasern, Ultrakurzpulslasern, Super- luminiszenz-LEDs oder anderen Superluminiszenzlichtquellen, ASE-Lichtquellen, Glühbirnen, Point-Source-LEDs und anderen LEDs, Sonnen- oder Sternenlicht, etc. verwiesen. Auch dienen die optischen Bauteile zum Ausschneiden bestimmter spektraler Lichtanteile zu Detektionszwecken, beispielsweise zum Einsatz in programmierbaren spektralen Filtern. Auch die Verwendung des akustooptischen Bauteils innerhalb eines programmierbaren Strahlteilers (AOBS) ist von Bedeutung. Aus der Praxis ist es des Weiteren bekannt, dass die hier in Rede stehenden akustooptischen Bauteile im Temperaturverlauf ihr Verhalten ändern, wobei dies hauptsächlich auf eine änderung der Schallgeschwindigkeit im Kristall zurückzuführen ist. Will man das akustooptische Bauteil bei sich ändernden Temperaturen verwenden, ist eine Kompensation des durch die Temperaturänderung hervorgerufenen Verhaltens erforderlich. Entsprechende Kompensationsmethoden sind bereits bekannt. Dort wird vorgeschlagen, den den Temperaturschwankungen ausgesetzten Kristall zu heizen oder zu kühlen, um nämlich eine Temperaturstabilisierung am Kristall hervorzurufen. Dazu ist eine besondere Temperaturregelung vorgesehen. Insoweit sei ebenso auf die EP 0 834 762 A2 verwiesen, wonach eine Art Dummy-Radiofrequenz vorgesehen ist, die immer dann eingespeist wird, wenn die eigentliche Radiofrequenz ausgeschaltet ist, so dass stets die gleiche Wärme im Kristall über eine Heizung deponiert werden kann.

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Alternativ zu der voranstehend genannten Methode wird die Radiofrequenz entsprechend einer gemessenen Temperaturänderung gemäß der DE 198 27 140 C2 nachgeführt. Dabei ist man jedoch bislang davon ausgegangen, dass der relevante Kompensationsparameter wie auch die Radiofrequenz selbst, die zum Betreiben des akustooptischen Bauteils notwendig ist, von unzähligen Parametern abhängt, beispielsweise von der Wellenlänge des abzulenkenden Lichts, vom Einfallwinkel des Lichts in den Kristall, von den Einbaubedingungen des Kristalls, etc. Daher bestimmte man bisher den Betrag der Frequenzänderung iterativ experimentell oder legte Tabellen für die Kompensationsparameter in Abhängigkeit von der Wellenlänge und von aparativen Bedingungen an. Dabei ist es erforderlich gewesen, die Kompensationsparameter für jedes einzelne Gerät individuell zu bestimmen. Insoweit sei insbesondere auf Abschnitt [0014] der DE 198 27 140 C2 verwiesen.

Der im Rahmen der Fehlerkompensation zu betreibende Aufwand gemäß druckschriftlichem Stand der Technik ist beachtlich, da für jede verwendete Laserwellenlänge und ggf. für jedes zum Einsatz kommende System besondere Korrekturparameter zu speichern und zu handhaben sind. Obendrein ist es erforderlich, die Treiberelektronik mit Informationen zu versorgen, um nämlich zu definieren, welche konkrete Laserwellenlänge und welche experimentellen Parameter vorliegen, um den darauf bezogenen Kompensationsparameter einsetzen zu können. Folglich kann gemäß druckschriftlichem Stand der Technik die Temperaturkompensation nicht direkt vom Radiofrequenzgenerator vorgenommen werden, muss vielmehr von einer höheren Bedienebene unterstützt oder gar insgesamt vorgenommen werden, da nämlich zur Temperaturkompensation die insgesamt erforderlichen Systeminformationen liquide sein müssen. Dies steht einer einfachen Bedienbarkeit des Systems sowie einer schnellen Temperaturstabilisierung auf kleinen Zeitskalen entgegen. So ist es beispielsweise erforderlich, bei einem Konfokalmikroskop eine höhere Software-Ebene vorzusehen, die über Informationen verfügt, welche Laserwellenlängen gerade vom Kristall abzulenken sind, die die erforderlichen Kompensationsparameter für den Ra-

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diofrequenzgenerator zur Verfügung stellen, so dass der Radiofrequenzgenerator die Frequenznachführung korrekt vornehmen kann. Entsprechend wird die Temperaturkompensation gemäß druckschriftlichem Stand der Technik nicht vom Radiofrequenzgenerator sondern von dem ihn ansteuernden Computer durchgeführt, der dem Radiofrequenzgenerator bereits temperaturkompensierte Radiofrequenz-Sollwerte - meist unveränderbar - vorgibt. Dies führt zu einer enormen Komplexität und Fehleranfälligkeit des gesamten Systems.

Im Lichte der voranstehenden Ausführungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der gattungsbildenden Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei sich ändernden Temperaturen ein fehlerfreier automatischer Betrieb bei einfacher Konstellation des Systems möglich ist. Außerdem soll der Benutzer keinerlei Entscheidungen in Bezug auf etwaige Einstellungen bzw. Parameter zur temperaturabhängigen Fehlerkompensation treffen müssen.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Merkmale der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 14 gelöst, nämlich zum einen in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und zum anderen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass sich temperatur- schwankungsbedingte Fehlfunktionen des akustoop tischen Bauteils in einfacher und dabei idealer Weise durch Anpassung der Radiofrequenz kompensieren lassen. Diese Erkenntnis ist für die Fachwelt überraschend, geht man von dem im einschlägigen Stand der Technik betriebenen Aufwand aus. Vor allem ist überraschend, dass der für die Radiofrequenz-Nachführung notwendige Kompensationsparameter (in kHz/°C) nur scheinbar willkürlich von allen möglichen Systemparametern abhängt, so beispielsweise von der Wellenlänge des abzulenkenden Lichts, vom Einfallwinkel des Lichts in den Kristall, von den Einbaubedingungen des Kristalls, etc. Ungeachtet der

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zuvor genannten Abhängigkeiten ist es nämlich möglich, dass die Kompensationsparameter direkt und alleine mit der einzustellenden Radiofrequenz verknüpft werden, wobei die Radiofrequenz ihrerseits tatsächlich auf komplexe Weise von zahlreichen Parametern abhängt. Die hier zugrunde liegende Verknüpfung zur Vorgabe eines geeigneten Kompensationsparameters folgt einer äußerst einfachen, im Wesentlichen bis auf kleine Korrekturen linearen mathematischen Beziehung.

Die voranstehende genannte erfindungsgemäße Erkenntnis hat in Bezug auf die beanspruchte Vorrichtung sowie in Bezug auf das beanspruchte Verfahren ganz erhebliche Konsequenzen. So ist es in erfindungsgemäßer Weise möglich, alleine aus der für den Radiofrequenzgenerator vorgesehenen Radiofrequenz direkt den dazu passenden Kompensationswert (in kHz/°C) zu ermitteln. Mit anderen Worten lässt sich der Radiofrequenzgenerator alleine durch Kenntnis der Output-Radio frequenz entsprechend der am akustooptischen Bauteil anliegenden Temperatur nachführen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis bedeutet für den Benutzer eine erhebliche Erleichterung, da er sich beim Betrieb des jeweiligen Systems nicht um die im Bereich des akustooptischen Bauteils herrschende Temperatur, insbesondere nicht um die Kristall-Temperatur, kümmern muss. Sogar das Einkalibrieren des Systems auf die richtigen Radiofrequenzen zum Betrieben der jeweiligen akustooptischen Bauteile kann ebenfalls unter den Bedingungen der erfindungsgemäßen Temperaturkompensation erfolgen, so dass der Benutzer stets die richtigen Radiofrequenzen bezogen auf eine definierte Norm-Temperatur einstellt, und zwar unabhängig davon, welche Temperatur zum Zeitpunkt der Kalibrierung tatsächlich am akustooptischen Bauteil vorliegt.

Der mathematische Zusammenhang zwischen der erwünschten Radiofrequenz bei definierter Temperatur und dem zugehörigen Kompensationskoeffizient ergibt sich in vorteilhafter Weise wie folgt:

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Kompensationskoeffizient (kHz/°C) = aθ + al*RF + a2+RF2 + a3*RF3 + ... + an*RFn.

Hierbei kann typischerweise n sehr klein gewählt werden (vorzugsweise n<5, aber sogar n=l liefert bereits eine hervorragende Temperaturkompensation). Meist sogar aθ nahezu 0, so dass auch dieser Koeffizient weggelassen werden kann und im Extremfall sogar nur ein einziger Koeffizient im Radiofrequenzgenerator gespeichert werden muss. In der Regel kann man mit einem bis höchstens 5 Koeffizienten auskommen. Dies ist auch vom Datenumfang wesentlich einfacher als bei den individuell einzukalibrierenden Tabellen gemäß druckschriftlichem Stand der Technik.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Anpassung der Radiofrequenz, ausgehend von einer Soll-Radiofrequenz, in Abhängigkeit von der unmittelbar am akustooptischen Bauteil ermittelbaren Temperatur. Geht man davon aus, dass das akustooptische Bauteil einen in den optischen Eigenschaften veränderbaren Kristall umfasst, ist es von weiterreichendem Vorteil, wenn ein Temperatursensor vorgesehen ist, über den die Temperatur direkt am Kristall ermittelbar ist. Entsprechend wird ein der Ist-Temperatur am akustooptischen Bauteil entsprechendes Signal dem Radiofrequenzgenerator zugeführt, so dass unmittelbar dort eine Temperaturkompensation bei einfachster linearer Beziehung der erwünschten Radiofrequenz unter Berücksichtigung der tatsächlichen Temperatur stattfinden kann.

Wie bereits zuvor erwähnt, bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung den enormen Vorteil, dass der zur Anpassung der Radiofrequenz dienende Kompensationskoeffizient ausschließlich auf der Temperatur des akustooptischen Bauteils und der Soll-Radiofrequenz ermittelbar ist. So lässt sich am akustooptischen Bauteil kontinuierlich die Ist-Temperatur ermitteln. Dabei ist es denkbar, dass ein der Ist-Temperatur entsprechendes Signal unmittelbar dem Radiofrequenzgenerator oder einem vorgeschalteten Prozessor zugeleitet wird. Wird die Ist-Temperatur einem vorgeschalteten

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Prozessor zugeführt, dient dieser zur Erzeugung eines Steuersignals für den Radiofrequenzgeber. Folglich dient das vom Prozessor zur Verfügung gestellte Steuersignal zur Erzeugung einer Radiofrequenz auf Grundlage der jeweiligen Temperatur am a- kustooptischen Bauteil.

In besonders einfacher Weise ist es auch möglich, dass die am akustooptischen Bauteil kontinuierlich ermittelte Ist-Temperatur in Form eines Steuersignals unmittelbar dem Radiofrequenzgenerator zur Erzeugung der geeigneten Radiofrequenz auf Grundlage der jeweiligen Temperatur am akustooptischen Bauteil zugeführt wird. Der Radio frequenzgenerator wird dabei über den Prozessor lediglich mit digitalen Information beaufschlagt, wobei die eigentliche Kompensation im Radiofrequenzgenerator stattfindet. In diesem Falle kommuniziert der Prozessor ausschließlich mit dem Radiofrequenzgenerator, wobei der Radiofrequenzgenerator Daten über den Temperatursensor erhält und die erforderliche angepasste Radiofrequenz an den Kristall des akustooptischen Bauteils liefert.

Wie bereits zuvor erwähnt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung mehrerer akustooptischer Bauteile eingesetzt werden, wobei dann entsprechend der Anzahl der akustooptischen Bauteile Radiofrequenzgeneratoren vorgesehen sind, die über einen gemeinsamen Prozessor mit Steuersignalen zur Erzeugung von Radiofrequenzen auf Grundlage der Temperatur am jeweiligen akustooptischen Bauteil versorgt werden. Entsprechend ist es denkbar, dass unterschiedliche akustooptische Bauteile im System vorgesehen sind, wobei es sich bei dem akustooptischen Bauteil um einen AOTF (acousto optical tunable filter), um einen AOD (acousto optical deflec- tor), um einen AOM (acousto optical modulator) um ein Bauteil innerhalb eines programmierbaren Strahlteilers, d.h. innerhalb eines AOTF, um einen Frequenzschieber oder dgl. handeln kann.

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Im Rahmen eines Merge-Moduls kann die Strahlvereinigung und ein AOTF zur Intensitätsregelung dienen, wobei die Bauteile in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein können. Auch lassen sich zwei oder mehrere akustooptische Bauteile zu einem AOBS (programmierbarer Strahlteiler) innerhalb eines Gehäuses vereinen.

Entsprechend den voranstehend genannten Merkmalen lassen sich erfindungsgemäße Vorrichtungen betreiben, insbesondere unter Berücksichtigung der beanspruchten Verfahrensschritte.

In Bezug auf mögliche Verwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind keinerlei Grenzen gesetzt. So lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zur Temperaturkompensation in einem konfokalen Laserscanmikroskop verwenden. Dabei könnte durch ein erstes akustooptisches Bauteil mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation, vorzugsweise durch ein AOTF, ein Beleuchtungsstrahl geleitet werden. Die Steuereinheit des Konfokalmikroskops steuert dabei neben dem Konfokalmikroskop auch einen oder mehrere Radiofrequenzgeneratoren an, die die akustooptischen Bauteile mit den notwendigen Radiofrequenzen versorgen. Das im ersten akustooptischen Bauteil abgelenkte und selektierte Licht wird vorzugsweise über eine Lichtleiter zum Scankopf des Laserscanmikroskops geleitet, wo es zur Beleuchtung dient.

In besonders vorteilhafter Weise wird das Licht über eine optische Weiche, d.h. über einen akustooptischen Strahlteiler (AOBS), in das Mikroskop eingekoppelt. Die optische Weiche kann ebenfalls die erfindungsgemäße Temperaturkompensation beinhalten, die entsprechend über den Radiofrequenzgenerator vorgenommen wird.

Weitere Anwendungen liegen in der optischen Kohärenztomographie, in der Weiß- lichtinterferometrie, bei optischen Pinzetten in der Lithographie, in der Entfernungs- /Abstandsmessung, etc.

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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht den prinzipiellen Aufbau eines akusto- op tischen Bauteils und

Fig. 2 in einem schematischen Diagramm die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung am Beispiel eines Konfokalmikroskops, wobei insgesamt drei akustooptische Bauteile Verwendung finden.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht den grundsätzlichen Aufbau eines a- kustooptischen Bauteils 1, welches durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in temperaturkompensierender Weise angesteuert wird. Das akustooptische Bauteil 1 um- fasst einen akustooptischen Kristall 2, der auf einer Kristallhalterung 3 angeordnet ist. Unmittelbar an der Kristallhalterung 3 ist ein Temperatursensor 4 vorgesehen, der vorzugsweise mit digitalem Ausgang ausgestattet ist. Auf der der Kristallhalterung 3 abgewandten Seite des akustooptischen Kristalls 2 ist ein Transducer 5 zur Einkopp- lung der Hochfrequenz in den Kristall 2 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt in einem schematischen Diagramm die Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung von insgesamt drei akustooptischen Bauteilen 1, wobei zwei der akustooptischen Bauteile 1 einen AOBS 6 bilden und wobei ein

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weiteres akustooptisches Bauteil 1 in einem Merge-Modul 7 angeordnet ist. Innerhalb des Merge-Moduls 7 dienen die Strahlvereinigung und der AOTF zur Intensitätsregelung des von drei Laserlichtquellen 8 kommenden Laserlichts in einem gemeinsamen Gehäuse.

Zur Ansteuerung der akustooptischen Bauteile 1 sind insgesamt drei Radiofrequenzgeneratoren 9 vorgesehen, die von einem Prozessor 10 bzw. Computer mit einem Steuersignal angesteuert werden.

Die Radiofrequenzgeneratoren 9 erhalten einerseits Steuersignale über den Computer 10 und andererseits temperaturspezifische Signale über die den akustooptischen Bauteilen 1 bzw. den dortigen Kristallen 2 zugeordnete Temperatursensoren 4, so dass im jeweiligen Radiofrequenzgenerator 9 eine Anpassung der Radiofrequenz zur Temperaturkompensation stattfinden kann.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kompensation der tem- peraturschwankungsbedingten Fehlfunktion des akustooptischen Bauteils 1 im jeweiligen Radiofrequenzgenerator 9, und zwar ausschließlich unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperatur am akustooptischen Bauteil 1, unter Berücksichtigung der vom Computer 10 zur Verfügung gestellten Soll-Radiofrequenz, bezogen auf eine definierte Norm-Temperatur am Radiofrequenzgenerator 10. Die reale Temperatur wird kontinuierlich über die Temperatursensoren 4 ermittelt und an den Radiofrequenzgenerator 9 gesendet. Dieser berechnet kontinuierlich neue Werte für die Radiofrequenzen und sendet diese an das zugehörige akustooptische Bauteil 1 bzw. den dortigen Kristall 2.

Schließlich sei daraufhingewiesen, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel lediglich zur beispielhaften Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

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Bezugszeichenliste

1 akustooptisches Bauteil

2 akustooptischer Kristall

3 Kristallhalterung

4 Temperatursensor

5 Transducer

6 AOBS

7 Merge-Modul

8 Laserlichtquelle

9 Radiofrequenzgenerator

10 Prozessor, Computer

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