Intensitätsschwankungen von Licht in ein Wechselspannungsmesssignal

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung zur Wandlung von Intensitätsschwankungen von Licht in ein

Wechselspannungmesssignal sowie ein Mikroskop mit einer solchen Licht- /Spannungs-Wandlerschaltung.

Stand der Technik

Auf dem Gebiet der Mikroskopie sind spektroskopische Untersuchungsmethoden verbreitet, die sich ein oder mehrerer Laserquellen bedienen, um Proben zu beleuchten. Je nach Art der Messung stellen sich dabei sehr unterschiedliche Anforderungen an die Messtechnik.

Beispielsweise werden bei der SRS-Mikroskopie (SRS: stimulated Raman scattering; siehe beispielsweise Freudiger et al., Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy, Science 2008) zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge eingesetzt. Beide Laserstrahlen werden auf die zu untersuchende Probe geführt und an ihr gestreut. Bei

Amplitudenmodulation (alternativ beispielsweise auch Polarisationsmodulation, Wellenlängenmodulation) eines der beiden Laserstrahlen ergibt sich als Nutzsignal eine geringe Intensitätsschwankung im gestreuten Licht (kohärenter

laserähnlicher Strahl), die jedoch auf einem signifikanten Gleichanteil aufsitzt. Die Erfassung dieser gleichanteilbehafteten Intensitätsschwankung (Wechselanteil) bereitet Schwierigkeiten. Zum einen kann das Verhältnis von Gleich- zu Wechselanteil bis zu 10exp6 betragen. Zum anderen kann der Gleichanteil des Lichtes in der Größenordnung eines Watts liegen, was zu einem erheblichen Energieeintrag in das

Detektorelement (üblicherweise eine Photodiode) führt. Neben der Erwärmung durch die eingestrahlte Lichtleistung führt der Gleichanteil auch zu einem

Stromfluss in der Diode (diese besitzt üblicherweise eine Vorspannung in

Sperrrichtung), was ebenfalls zu einer signifikanten Erwärmung beiträgt. Diese wirkt sich insbesondere durch eine Verschiebung des Arbeitspunktes und

Vergrößerung des Eigenrauschens negativ auf Messung aus.

Die Messung wird üblicherweise scannend ausgeführt, d.h. punktuell über die Probe gerastert. Dies erfolgt üblicherweise zeilenweise, wobei während des Zeilensprungs die Laser abgeschaltet werden, was zu einem zusätzlichen Falschsignal beim Wiedereinschalten führen kann.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden eine Licht-/Spannungs- Wandlerschaltung zur Erfassung von Intensitätsschwankungen von Licht sowie ein Mikroskop, z.B. ein SRS- Mikroskop, mit einer solchen Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung mit den

Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Licht-/Spannungs- Wandlerschaltung zur Wandlung von Intensitätsschwankungen von Licht in ein

Wechselspannungmesssignal mit einer Photodiode als Detektorelement, wobei der Wechselanteil in der detektierten Lichtintensität mittels eines Transformators mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung vom Gleichanteil getrennt wird. Dazu wird der Lichtstrom der Photodiode durch die Primärwicklung geführt, so dass der Wechselanteil eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung induziert, die als Messsignal erfasst werden kann. Parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung des Transformators und der Photodiode ist ein

gleichstromsperrendes und wechselstromleitendes elektrischen Netzwerk geschaltet, welches den Stromkreis der Photodiode für Wechselspannung schließt und so Signalverluste in weiteren angeschlossenen Komponenten, insbesondere einer Spannungsquelle für die Photodiode, verhindert. Das Netzwerk kann überdies die Impedanz der Spannungsquelle derart anpassen, dass der

Frequenzbereich des Lichtstromes, der detektiert werden soll, eine größtmögliche Induktion im Transformator hervorruft. Das Netzwerk kann auch frequenzselektiv ausgelegt werden, um eine Filterfunktion bezüglich des zu detektierenden Signals zu erreichen.

Durch die Erfindung wird das Nutzsignal vom Gleichanteil sehr gut getrennt und für eine weitere Auswertung, z.B. Aufbereitung, Verstärkung usw., zugänglich gemacht. Gleichanteilbehaftete Intensitätsschwankung können so besonders gut und genau gemessen werden. Darüber hinaus zeichnet sich die Licht-/Spannungs- Wandlerschaltung durch einen einfachen Aufbau mit unkomplizierten Bauteilen und die damit einhergehende Robustheit und Zuverlässigkeit aus. Durch den Transformator wird ein potentialfreies Messsignal bereitgestellt, was die weitere Verarbeitung sehr flexibel macht. Ein Falschsignalanteil beim Einschalten, z.B. beim Zeilensprung, wird ebenfalls reduziert oder ganz vermieden.

Eine Aufbereitung des in die Sekundärwicklung induzierten Signals ist möglich, wenn ein zweites elektrisches Netzwerk elektrisch leitend mit der

Sekundärwicklung des Transformators verbunden ist. Die Aufbereitung kann eine Filterung und/oder Verstärkung beinhalten. Das zweite elektrische Netzwerk kann insbesondere auch zur Impedanzanpassung der Spannungsmesseinrichtung an die restliche Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung dienen, so dass ein besonders großes Messsignal erhalten wird. Insbesondere wird in die Sekundärwicklung ein Strom induziert. Damit dieser Strom als Spannung messbar wird, kann er mit Hilfe eines Strom-Spannungs- Wandlers in eine Spannung konvertiert werden. Die einfachste Form eines solchen Wandlers ist eine Impedanz. In bevorzugter Ausgestaltung wird die

Eingangsimpedanz des zweiten elektrischen Netzwerks zur Strom-Spannungs- Wandlung genutzt. Am Ausgang des zweiten elektrischen Netzwerks kann beispielsweise ein Spannungsverstärker eingesetzt werden.

Eine besonders einfache Messung des Wechselspannungmesssignals ist möglich, wenn eine Spannungsmesseinrichtung parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators geschaltet ist.

Vorzugsweise ist eine Spannungsquelle parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung des Transformators und der Photodiode geschaltet. Damit kann insbesondere die Photodiode in Sperrrichtung betrieben werden, was die

Bandbreite des detektierbaren Lichtstroms erhöht.

Vorzugsweise liegt eine Elektrode der Photodiode elektrisch auf Masse. Dies bietet den Vorteil, dass über die Masseverbindung gleichzeitig eine Wärmeableitung stattfinden kann, insbesondere, wenn hierfür eine ausreichend massive elektrische Verbindung (z.B. Leitung o.ä.) verwendet wird. Beispielsweise kann diese

Elektrode auch physisch mit einem (insbesondere massiven) metallischen Körper verbunden werden, welcher insbesondere gleichzeitig als Wärmesenke und zur Abschirmung elektrischer Felder dienen kann, ohne dass besonders aufwändige Isolierungen notwendig wären. Eine besonders gute Abschirmungswirkung wird erreicht, wenn der Körper eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Eine besonders gute Kühlwirkung wird erreicht, wenn die Ruhemasse des Körpers wenigstens das lOfache, 20fache, 50fache oder lOOfache der Masse der

Photodiode beträgt. Vorzugsweise weist der Körper eine Ausnehmung auf, in welcher die Photodiode angeordnet ist. Damit kann eine besonders gute Kühl- und Abschirmungswirkung erzielt werden. Die Photodiode kann aber auch an einem Körper ohne

Ausnehmung befestigt sein. Dies erleichtert die Herstellung.

Eine Befestigung der Photodiode an dem metallischen Körper kann beispielweise durch Löten erreicht werden. Dies ist ein in der Praxis vielfach erprobtes

Befestigungsverfahren mit gleichzeitig elektrischer Kontaktierung.. Der Körper kann beispielsweise als Platte oder Block ausgebildet sein.

Der Körper kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Kupfer und/oder Aluminium und/oder Eisen ausgebildet sein. Er kann zum Korrosionsschutz z.B. verzinnt, verzinkt oder vernickelt sein.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines als SRS-Mikroskop ausgebildeten erfindungsgemäßen Mikroskops. Figur 2 zeigt eine schematische Schaltplanansicht einer bevorzugte

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Licht-/Spannungs- Wandlerschaltung. Figur 3 zeigt Figur 2 mit einem zusätzlichen metallischen Körper für die Photodiode.

Figur 4a zeigt eine erste bevorzugte Möglichkeit für die Verbindung der Photodiode einer erfindungsgemäßen Licht-/Spannungs- Wandlerschaltung mit Masse.

Figur 4b zeigt eine zweite bevorzugte Möglichkeit für die Verbindung der Photodiode einer erfindungsgemäßen Licht-/Spannungs- Wandlerschaltung mit Masse.

In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Mikroskops grob schematisch dargestellt und insgesamt mit 1 bezeichnet. Das Mikroskop basiert auf dem Prinzip der SRS-Mikroskopie, wobei eine Probe 10 mittels zweier Laser 2, 3 unterschiedlicher Wellenlängen AP (Laser 2) und As (Laser 3) punktuell bestrahlt wird. Hierzu durchläuft der vom Laser 3 (Stokes- Laser) emittierte sogenannte Stokes-Strahl mit der Wellenlänge As einen

Amplitudenmodulator 6 zur Modulation der Intensität des Stokes-Strahls

(alternativ: Vorrichtung zur Wellenlängen- oder Polarisationsmodulation) im hohen Frequenzbereich (typischerweise MHz) und wird mit dem vom Laser 2 (Pump-Laser) ausgesendeten sogenannten Pump-Strahl mit der Wellenlänge A? über einen dichroitischen Spiegel 7 vereinigt. Anschließend durchlaufen die Strahlen das Mikroksopobjektiv 8, von dem sie auf denselben Probenbereich der Probe 10 fokussiert werden. Ein resultierender gestreuter Lichtstrahl 4

(bestehend aus den gegebenenfalls in ihrer Intensität auf Grund des SRS-Effektes veränderten Pump- und Stokes-Strahlen) durchläuft zuerst einen Filter 9 zum

Blockieren des Stokes-Anteils des Lichtstrahls 4 und wird anschließend von einem Detektor, der eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Licht- /Spannungs-Wandlerschaltung 100 aufweist, detektiert. Eine Recheneinheit 5 dient zur Steuerung der Komponenten des Mikroskops 1 sowie vorzugsweise zur Aufnahme und Verarbeitung des von der Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung 100 gelieferten Wechselspannungmesssignals.

Die Modulierung des Stokes-Strahls führt zu einer Intensitätsschwankung im gestreuten Pump-Strahl. Es ergibt sich im resultierenden Lichtstrahl 4 nach dem Filter 9 bezogen auf die Intensität des Lichtstrahls ein hoher Gleichanteil, der mit einem kleinen Wechselanteil überlagert ist.

Die Messung wird üblicherweise scannend ausgeführt, d.h. punktuell über die Probe gerastert. Dies erfolgt üblicherweise zeilenweise, wobei während des Zeilensprungs die Laser abgeschaltet werden können.

In Figur 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Licht- /Spannungs-Wandlerschaltung 100 schematisch und schaltplanartig dargestellt. Die Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung 100 dient zur Wandlung der anhand von Figur 1 beschriebenen Intensitätsschwankungen im Lichtstrahl 4, welcher in Figur 2 durch die Pfeile L angedeutet ist, in ein Wechselspannungmesssignal.

Die Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung 100 weist eine Photodiode D auf, die mit einer Primärwicklung Tl eines Transformators T in Reihe geschaltet ist. Ein gleichstromsperrendes und wechselstromleitendes elektrisches Netzwerk Nl ist parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung Tl des Transformators T und der Photodiode D geschaltet. Weiterhin ist eine Spannungsquelle U parallel zu der Reihenschaltung aus der Primärwicklung Tl des Transformators T und der Photodiode D geschaltet. Mittels der Spannungsquelle U kann die Photodiode D in Sperrrichtung betrieben werden, sodass von der Photodiode D ein Lichtstrom mit besonders großer Bandbreite erzeugbar ist. Das gleichstromsperrende und wechselstromleitende elektrische Netzwerk Nl dient zum einen zum Schließen des Wechselstromkreises durch die Photodiode D und die Primärwicklung Tl des Transformators T, sodass der interessierende Wechselstromanteil nicht über die Spannungsquelle U fließen muss, was zu Verfälschungen bzw. Störungen führen würde. Weiterhin kann das Netzwerk Nl die Impedanz des geschlossenen Wechselstromkreises so anpassen, dass der

Wechselanteil eine größtmögliche Induktion im Transformator T hervorruft. Der Betrag der Impedanz wird für die Frequenz des Wechselanteils hierbei minimiert.

Das Netzwerk Nl kann im einfachsten Fall aus einem einzelnen Kondensator bestehen. Zusätzlich kann das Netzwerk weitere L-, R-, C-Elemente (Induktivitäten, Widerstände, Kapazitäten) aufweisen, die die Impedanz des Schwingkreises bei der Frequenz des interessierenden Wechselstromanteils reduzieren.

Im Transformator T wird der Wechselanteil des Stroms von der Primärwicklung Tl in eine Sekundärwicklung T2 induziert, sodass sekundärseitig lediglich der Wechselanteil getrennt vom Gleichanteil als Wechselspannungmesssignal an einem Ausgang S, an den insbesondere eine Spannungsmesseinrichtung, beispielsweise ein ADC-Wandler der Recheneinheit 5 aus Figur 1, angeschlossen werden kann, anliegt.

Zur Vorverarbeitung des Wechselspannungmesssignal ist ein zweites elektrisches Netzwerk N2 vorgesehen, das beispielsweise zur Filterung und/oder Verstärkung des Wechselspannungmesssignals dient. Weiterhin kann hier eine

Impedanzanpassung der Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung an eine

angeschlossene Spannungsmesseinrichtung erfolgen. Das zweite elektrische Netzwerk N2 kann Reihen- und/oder Parallelschaltungen von R-, L-, C-Elementen beinhalten. Schaltungen zur Impedanzanpassung in der HF-Technik ("Anpassstrukturen") sind bekannt, beispielsweise L-, T- und Pi- Anpassstrukturen. Von Schaltungen zur Impedanzanpassung können eine oder mehrere im Netzwerk N2 hintereinander in Reihe geschaltet sein, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

In Figur 3 ist die Licht-/Spannungs-Wandlerschaltung 100 aus Figur 2 erneut dargestellt, wobei die Photodiode D mit einer Elektrode, hier der Anode, sowohl mit elektrischer Masse als auch mit einem massiven metallischen Körper 110 verbunden ist. Der Körper 110 kann beispielsweise eine Kupferplatte sein, die insbesondere aus Korrosionsschutzgründen und/oder zum einfacheren Auflöten der Fotodiode verzinnt sein kann. Die Kupferplatte 110 dient als Wärmesenke zum Abführen des durch die Lichtbestrahlung hervorgerufenen Wärmeeintrags sowie als Abschirmung vor elektrischen bzw. elektromagnetischen Störungen. Der Körper kann eine Aussparung, z.B. quader- oder zylinderförmig, aufweisen, in welcher die Photodiode angeordnet ist.

Die soeben beschriebene Beschaltung der Photodiode D, bei welcher die Anode mit elektrischer Masse und ggf. mit dem Metallkörper 110 verbunden ist, ist in Figur 4b noch einmal skizziert, wohingegen eine alternativ bevorzugte

Ausführungsform, bei der die Kathode der Photodiode D mit elektrischer Masse und ggf. mit dem Metallkörper 110 verbunden ist, in Figur 4a skizziert ist. In diesem Fall (4a) befindet sich die Primärwicklung des Transformators T zwischen der Anode der Photodiode D und negativer Versorgungsspannung.

Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Insbesondere könnten die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele - soweit möglich - miteinander kombiniert werden.