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WO2008043469A1 - Verfahren zur leistungsregelung einer laserdiode oder led - Google Patents

Verfahren zur leistungsregelung einer laserdiode oder led Download PDF

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WO2008043469A1
WO2008043469A1 PCT/EP2007/008594 EP2007008594W WO2008043469A1 WO 2008043469 A1 WO2008043469 A1 WO 2008043469A1 EP 2007008594 W EP2007008594 W EP 2007008594W WO 2008043469 A1 WO2008043469 A1 WO 2008043469A1
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pulse
power
lsm
laser diode
laser scanning
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PCT/EP2007/008594
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English (en)
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Inventor
Hans Schlüter
Erhardt Hülße
Uwe Patz
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Carl Zeiss Microlmaging Gmbh
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    • G—PHYSICS
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    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light
    • G—PHYSICS
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • Fig. 1a shows a photodiode which is fed via a beam splitter, a portion of the laser light for power measurement.
  • Fig. 1 b shows schematically an integrated into the laser diode power measurement and control.
  • the ratio of maximum laser power to minimum laser power is typically 40: 1.
  • Laser scanning microscopy requires high quality light sources with high output dynamics.
  • the output dynamics requirement of the illumination system of a laser scanning microscope is 1000: 1. This means that the maximum possible output power should be 1000 times the minimum possible output power. This can not be guaranteed with the principle from sketch 1.
  • AOTF acousto-optical transmission filters
  • the power is reduced by swiveling in an optical attenuator such as a filter (gray filter).
  • an optical attenuator such as a filter (gray filter).
  • the filter is advantageously swiveled into the microscope after the coupling-in fiber.
  • the possible omission of the AOTF (by feeding each wavelength separately, e.g., via separate fibers) can also provide a "real" reduction in intensity
  • the measuring system of the laser scanning microscope can advantageously be adjusted completely without applied radiation.
  • FIG. 4a and 4b are schematically einschwenkbare attenuator after the
  • Fig. 5 the coupling of multiple light sources of different wavelength via schematically illustrated optical fibers and collimators in the beam path of a laser scanning microscope (as in DE 19702753 A1) is shown.
  • the lowest light source is a laser diode.
  • the swiveling attenuator is located in the scan head of the LSM, ie downstream of the fiber and the collimator, downstream of the light of the laser diode.
  • the pivoting-in of the attenuator can be combined with a further advantageous measure:
  • pulses are generated and these are measured individually or averaged.
  • the power regulation here consists of the
  • the pulse frequency is a multiple of the sampling frequency in the
  • Pixels can be illuminated, but is below that for the examined
  • Sample required reaction time (e.g., less than 500 MHz).
  • the frequency depends on the speed of the application for which the
  • the frequency is adjustable or switchable, for example via a switchable divider for a quartz oscillator (known from the prior art).
  • the regulation takes place via the setting of the pulse width since the Ichheim has an upper limit to avoid too high radiation peaks.
  • the pulse height is set via the diode current and the pulse width is measured on the basis of the pulse length.
  • Energy measurement can be used as a control variable.
  • the invention is not limited to the operation of laser diodes but can advantageously be operated with LEDs. Again, small services are difficult to set reproducible.
  • Fig. 2 shows how a light source is controlled by using the pulse-wise detection of energy through a performance monitor and a
  • the pulse shape is adjusted in a pulse width generator by means of a control computer (for example FPGA) in a drive unit which is connected to all components for the required laser power.
  • a control computer for example FPGA
  • Fig. 3a the individual pulses are shown, which are set in height h and length I.
  • the electronics evaluate the energy measured per pulse. It regulates the pulse length or the pulse height of the light output so that the default value is achieved by the LSM.
  • the light output is synchronized to an integer multiple of the pixel clock.
  • the photodiode for light control supplies a current which is proportional to the light power, which is converted into a voltage in a l / U converter, amplified, integrated (corresponding to the given pixel clock). After a setpoint comparison (comparator), the pulse is set
  • the light of the laser diode reaches the LSM whose pixel clock (or an integer thereof) is used for pulse control. Furthermore, the setpoint specification for the
  • the image scanning process becomes one
  • Clock signal used to clock the frequency of the light pulses (pulse frequency) so that per excitation point (pixel) at least one excitation pulse is generated, but in any case an integer number of light pulses per pixel is output.
  • the image acquisition process (scan time) as a whole can be speeded up, since it is certain that each sampled sample point is excited with the required energy. It can thereby be detected faster processes and the
  • the goal is to deposit a reproducible energy during a pixel clock
  • Figure 4 illustrates a synchronized PVVM output in ten times the pixel rate, which ensures a very well reproducible energy deposition per pixel.
  • the accuracy of the energy deposition depends on the quality of the PWM energy regulation.
  • a single pulse is shown, the length and height is set according to the invention.

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Abstract

In der Laserscanningmikroskopie werden hochwertige Lichtquellen benötigt, die über eine hohe Ausgangsdynamik verfügen. Typischerweise ist die Anforderung an die Ausgangsdynamik des Beleuchtungssystems eines Laserscanningmikroskopes 1000:1. Erfindungsgemäß erfolgt eine Herabsetzung der Leistung durch Einschwenkung eines optischen Abschwächers wie eines Filters (Graufilter). Vorteilhaft wird der Filter bei einem Laser-Scanning-Mikroskop nach der Einkoppelfaser in das Mikroskop eingeschwenkt. Erfindungsgemäß wird durch diese einfache Maßnahme eine Funktion des ansonsten zur Leistungsregelung (und Wellenlängeneinstellung) vorhandenen AOTF übernommen. Das bedeutet eine Kostenreduzierung, eine Vereinfachung des Strahlenganges und geringere Wärme- und Geräuschentwicklung.

Description

VERFAHREN ZUR LEISTUNGSREGELUNG EINER LASERDIODE ODER LED
Bekannt ist es, Laserdioden in der Leistung zu regeln. Dies geschieht durch eine Rückkopplungsschleife. Diese besteht aus einer Fotodiode, einem Strom- Spannungswandler einem Regelverstärker, einem Vergleicher und einer regelbaren Stromquelle. (Abb. 1 ).
Abb. 1a zeigt eine Fotodiode der über einen Strahlteiler ein Teil des Laserlichtes zur Leistungsmessung zugeführt wird.
Abb. 1 b zeigt schematisch eine in die Laserdiode integrierte Leistungsmessung und Regelung.
Aufgrund der Laserdiodeneigenschaften sind diese Systeme bei kleinen Leistungen schlecht regelbar. Von den Lichtquellen des Laser-Scanning-Mikroskopes wird allerdings eine hohe Konstanz der Leistungsabgabe gefordert. Zusätzlich ist verliert die Laserdiode bei Betrieb unterhalb des Schwellstromes ihre Lasereigenschaften. Rauschen, spektrale Verbreiterung und fehlende Kohärenz zeigen dies. Der Quotient aus maximaler Laserleistung zu minimaler Laserleistung ist typischerweise 40:1.
In der Laserscanningmikroskopie werden hochwertige Lichtquellen benötigt, die über eine hohe Ausgangsdynamik verfügen. Typischerweise ist die Anforderung an die Ausgangsdynamik des Beleuchtungssystems eines Laserscanningmikroskopes 1000:1. Das heißt, die maximal mögliche Ausgangsleistung soll das 1000-fache der minimal möglichen Ausgangsleistung betragen. Dies ist mit dem Prinzip aus Skizze 1 nicht zu gewährleisten.
Gleichzeitig müssen die Lichtquellen innerhalb weniger Mikrosekunden ein und ausschaltbar sein. Diese Anforderung an die Regelbarkeit der Leistungsabgabe wird durch akusto-optische Transmissionsfilter (AOTF) realisiert.
Erfindungsgemäss erfolgt eine Herabsetzung der Leistung durch Einschwenkung eines optischen Abschwächers wie eines Filters (Graufilter). Vorteilhaft wird der Filter bei einem Laser-Scanning-Mikroskop nach der Einkoppelfaser in das Mikroskop eingeschwenkt. Hierdurch kann beispielsweise die Leistung zusätzlich zur oben beschriebenen
Einstellung beispielsweise auf 1 /35 tel herabgesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird durch diese einfache Maßnahme eine Funktion des ansonsten zur Leistungsregelung (und Wellenlängeneinstellung) vorhandenen AOTF übernommen.
Das bedeutet eine Kostenreduzierung, eine Vereinfachung des Strahlenganges und geringere Wärme- und Geräuschentwicklung.
Durch den möglichen Wegfall des AOTF (bei Zuführung jeder Wellenlänge separat, z.B. über separate Fasern) kann auch eine „echte,, Reduzierung der Intensität auf
Null erfolgen (durch einfaches Abschalten der Laserdiode), während beim AOTF stets eine Resttransmission vorhanden ist.
Hierdurch kann vorteilhaft das Messsystem des Laser-Scanning-Mikroskops völlig ohne beaufschlagte Strahlung abgeglichen werden.
In Abb. 4a und 4b sind schematisch einschwenkbare Abschwächer nach der
Lichtquelle dargestellt, in Abb. 4a direkt nach der Lichtquelle, in Abb. 4b nach einem
Leistungsmonitor.
In Abb. 5 ist die Einkopplung mehrerer Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge über schematisch dargestellte Lichtleitfasern und Kollimatoren in den Strahlengang eines Laser-Scanning-Mikroskopes (wie in DE 19702753 A1 ) dargestellt.
Als unterste Lichtquelle ist eine Laserdiode dargestellt.
Hier befindet sich der einschwenkbare Abschwächer im Scankopf des LSM, also hinter der Faser und dem Kollimator, dem Licht der Laserdiode nachgeordnet.
Erfindungsgemäss ist die Einschwenkung des Abschwächers mit einer weiteren vorteilhaften Maßnahme kombinierbar:
Erfindungsgemäß werden statt des cw - Lichtes Pulse erzeugt und diese werden einzeln oder gemittelt vermessen. Die Leistungsregelung besteht hier aus dem
Vermessen und Einstellen von Pulslänge und Pulshöhe.
Notwendigerweise ist die Pulsfrequenz ein Vielfaches der Abtastfrequenz bei der
LSM -Bildabtastung. Sie muss beim LSM über der Abtastfrequenz liegen, damit jeder
Bildpunkt beleuchtet werden kann, liegt jedoch unterhalb der für die untersuchte
Probe erforderlichen Reaktionszeit (z.B. kleiner 500Mhz).
Allgemein ist die Frequenz von der Schnelligkeit der Applikation abhängig, für die die
Laserdiode eingesetzt wird. Vorteilhaft ist die Frequenz einstellbar bzw. umschaltbar, beispielsweise über einen umschaltbaren Teiler für einen Schwingquarz (aus dem Stand der Technik bekannt).
Es erfolgt eine erfindungsgemässe Kombination von Lichtpulsung, Einstellung und
Messung der Lichtpulse. Hierdurch kann die mittlere Leistung bei kleinen Leistungen genau und konstant eingestellt werden.
Vorteilhaft erfolgt die Regelung über die Einstellung der Pulsbreite da die Puishöhe ein oberes Limit hat, um zu hohe Strahlungsspitzen zu vermeiden.
Die Pulshöhe wird über den Diodenstrom eingestellt und die Pulsbreite wird anhand der Pulslänge gemessen.
Hierbei ist keine Detailkenntnis der genauen Pulsform erforderlich, weil eine
Energiemessung als Regelgröße herangezogen werden kann.
Die Erfindung ist nicht nur auf den Betrieb von Laserdioden beschränkt sondern kann vorteilhaft auch bei LED's betrieben werden. Auch hier sind kleine Leistungen schwer reproduzierbar einzustellen.
In Abb. 2 ist dargestellt, wie eine Lichtquelle angesteuert wird, indem anhand des pulsweisen Erfassens der Energie über einen Leistungsmonitor und einem
Sollwertvergleich eine Leistungsregelung über eine Pulsregelung und Einstellung erfolgt.
Über einen Leistungsmonitor und ein Messsystem zur Bestimmung der Pulsform erfolgt in einem Pulsweitengenerator eine Einstellung der Pulsform anhand eines Steuerrechners (z.B. FPGA) in einer Ansteuereinheit, die mit allen Komponenten verbunden ist , für die benötigte Laserleistung.
In Abb. 3a sind die einzelnen Pulse dargestellt, die in der Höhe h sowie der Länge I eingestellt werden.
Hierdurch wird die mittlere Leistung der Lichtquelle genau und konstant geregelt. In Abb. 3b ist dies im Einzelnen dargestellt. Die Elektronik wertet die pro Puls gemessene Energie aus. Sie regelt die Pulslänge bzw. die Pulshöhe der Lichtausgabe so, dass der Vorgabewert vom LSM erzielt wird. Die Lichtausgabe erfolgt synchronisiert zu einem ganzzahligen Vielfachen des Pixeltaktes. Die Photodiode zur Lichtkontrolle liefert einen Strom der proportional zur Lichtleistung ist, der in einem l/U Wandler in eine Spannung umgewandelt wird, verstärkt wird, integriert wird (entsprechend des vorgegebenen Pixeltaktes). Nach einem Sollwertvergleich (Vergleicher) erfolgt die Pulseinstellung
(Pulsweitensteller sowie Einstellung auf n- fachen Pixeltakt des LSM:).
Das Licht der Laserdiode gelangt zum LSM, dessen Pixeltakt (bzw. ein ganzzahliges davon) zur Pulsansteuerung dient. Weiterhin erfolgt die Sollwertvorgabe für die
Diodenleistung vom LSM aus.
Vorteilhaft wird diese Leistungsregeiung mit dem der Applikation entsprechenden
Messprozess synchronisiert,
Beispielsweise beim LSM wird aus dem Messprozess der Bildabtastung ein
Taktsignal verwendet, um die Häufigkeit der Lichtpulse (Pulsfrequenz) so zu takten, dass pro Anregungspunkt (Bildpunkt) mindestens ein Anregungspuls erzeugt wird, auf jeden Fall aber eine ganzzahlige Anzahl Lichtpulse pro Bildpunkt ausgegeben wird.
Hierdurch kann der Bildaufnahmeprozess (Scanzeit) insgesamt verschnellert werden, da es sicher ist, dass jeder abgetastete Probenpunkt mit der erforderlichen Energie angeregt wird. Es können dadurch schnellere Prozesse erfasst werden und die
Probe wird geschont.
Im unsynchronisierten Betrieb wären beispielsweise 100 Pulse pro Pixel ( Bildpunkt ) erforderlich. Durch die Regelung kann das bis um den Faktor 100 reduziert werden. Da die Bildabtastung beispielsweise beim LSM auch mit unterschiedlicher Abtastfrequenzen erfolgen kann (z.B. bei schnelleren und langsameren Vorgängen), erfolgt vorteilhaft eine synchronisierte Umschaltung der Pulsfrequenz entsprechend dem Abtastraster des Mikroskops.
Vorteilhaft können auch mehrere Pulse pro Bildpunkt eingestellt werden und dadurch mögliche Fehler bei der Energieeinstellung (z.B. durch ungenaues Monitoring bzw. statistische Fehler der Monitordiode) herausgemittelt werden. Dies ist in Abb. 3b näher dargestellt.
1 ist der Pixeltakt des Mikroskopes:
Ziel ist es, während eines Pixeltaktes eine reproduzierbare Energie zu deponieren
2 ist ein langsames PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) ohne Synchronisation, das keine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet. Verschiedene Pixel erhalten verschiedene Energien, da sich die gepulste Lichtausgabe gegen den Pixeltakt verschiebt. In diesem Fall (1 ,46-facher Pixeltakt) schwankt die Energie pro Pixel zwischen 68% und 146% des gewünschten Mittelwertes. 3 ist ein schnelles unsynchronisiertes PWM-Signal, das bei ausreichend hoher Frequenz eine gute Reproduzierbarkeit der pro Pixel deponierten Energie gewährleistet. In diesem Fall (8.7-facher Pixeltakt) schwankt die Energie pro Pixel jedoch zwischen 87% und 115% des gewünschten Mittelwertes (was für LSM immer noch zu ungenau ist!).
4 stellt eine synchronisierte PVVM-Ausgabe im zehnfachen Pixeitakt dar, die eine sehr gut reproduzierbare Energiedeposition pro Pixel gewährleistet. Die Genauigkeit der Energiedeposition hängt von der Güte der PWM-Energieregelung ab.
In Abb. 3c ist ein einzelner Puls dargestellt, dessen Länge und Höhe erfindungsgemäss eingestellt wird.

Claims

Patentansprüche
1.
Anordnung zum Betrieb einer Laserdiode oder LED , insbesondere zum Betrieb in einem Laser- Scanning-Mikroskop (LSM), wobei zur Leistungsreduzierung mindestens ein einschwenkbarer optischer
Figure imgf000008_0001
HPΓ ninHp nrifir I ED nachαeordnet ist.
2.
Anordnung nach Anspruch 1 , wobei der Abschwächer ein Filter, insbesondere ein Graufilter ist.
3.
Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode oder LED, insbesondere zum Betrieb in einem Laser- Scanning-Mikroskop (LSM), insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, wobei zur Leistungsreduzierung die Lichtstrahlung gepulst wird und die mittlere
Leistung durch Einstellung der Pulsform eingestellt wird.
4.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einstellung der Pulsform durch Einstellung der Pulshöhe und/oder der
Pulslänge erfolgt.
5.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Messung der mittleren Strahlungsleistung erfolgt und als Stellgrösse die
Pulsform dient.
6.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zusätzlich die Pulsfrequenz einstellbar ist,
7.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Stellgrößen die Frequenz, Pulslänge oder Pulshöhe alternativ oder gemeinsam einstellbar sind.
8.
Verfahren zum Betrieb eines Messystems mit getaktetem Messbetrieb, insbesondere eines Laser-Scanning-Mikroskopes ( LSM) mit einer Bildabtastung mit einem
Abtasttakt, mit einer Laserdiode oder einer LED, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche , wobei die Lichtstrahlung gepulst wird und der Pulstakt mit dem Takt des
Messsystems synchronisiert wird.
9.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei der Bildaufnahme mit dem LSM pro aufgenommenem Bildpixel ein Puls oder ein ganzzahliges Vielfaches pro Pixel erzeugt wird.
10.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Messung der mittleren Energie, die erzeugt wird, erfolgt.
11.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei als Steuergrösse die Dauer oder Häufigkeit der Pulse pro Pixel dient.
PCT/EP2007/008594 2006-10-06 2007-10-04 Verfahren zur leistungsregelung einer laserdiode oder led WO2008043469A1 (de)

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DE200610047909 DE102006047909A1 (de) 2006-10-06 2006-10-06 Anordnung und Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode oder LED
DE102006047910.6 2006-10-06
DE200610047910 DE102006047910A1 (de) 2006-10-06 2006-10-06 Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode oder LED
DE102006047909.2 2006-10-06

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