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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen optischen Weglängenmodulator,
insbesondere für die Verwendung in einem optischen Kohärenztomographen,
mit:
- a) einem optischen Fenster, aus dem beim
Betrieb des Weglängenmodulators Licht austritt und nach
Zurücklegen einer veränderbaren optischen Weglänge
wieder eintritt,
- b) einer ersten reflektierenden Fläche, die ortsfest angeordnet
ist,
- c) einer Optik, die das optische Fester auf die erste reflektierende
Fläche abbildet, und
- d) einer zweiten reflektierenden Fläche, die plan und
bewegbar angeordnet ist.
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Ein
derartiger Weglängenmodulator ist bekannt aus einem Aufsatz
von N. Delachenal et al. mit dem Titel "Robust
and rapid optical low-coherence reflectometer using a polygon mirror",
Optics Communications 162 (1999), Seiten 195–199.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Optische
Weglängenmodulatoren sind Vorrichtungen, mit denen sich
die optische Weglänge von Licht variabel verändern
lässt. Im Allgemeinen wird von optischen Weglängenmodulatoren
verlangt, dass sie die optische Weglänge schnell und kontinuierlich
(oder zumindest quasi-kontinuierlich) verändern. Bei den
meisten optischen Weglängenmodulatoren ändert
sich die optische Weglänge periodisch, wobei die Wiederholfrequenzen
mehrere Kilohertz betragen können.
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Benötigt
werden optische Weglängenmodulatoren beispielsweise in
optischen Kohärenztomographen, um die optische Weglänge
von in einem Referenzarm geführten Licht durchzustimmen.
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Durch
Benutzung bekannt sind faseroptische Weglängenmodulatoren,
bei denen eine optische Faser auf einen Hohlzylinder aufgewickelt
ist, dessen Durchmesser piezoelektrisch verändert werden kann.
Bei einer Ausdehnung des Hohlzylinders kommt es zu einer Verlängerung
der optischen Faser und damit einhergehend zu einer Verlängerung
der optischen Weglänge, die das Licht in der optischen Faser
zurücklegt. Je größer dabei der Weglängenhub ist,
desto kleiner ist die Frequenz, mit der die optische Weglänge
moduliert werden kann, und umgekehrt. Dadurch lassen sich mit diesen
Weglängenmodulatoren die optische Weglänge nicht
mit großen Hüben und hohen Frequenzen modulieren.
Vertrieben werden derartige Weglängenmodulatoren von der
Firma OPTIPHASE.
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Bei
den meisten bekannten optischen Weglängenmodulatoren wird
die optische Weglänge mit Hilfe sich bewegender Spiegel
moduliert. So ist in einem konfokalen Sensor, der von der Firma
Siemens unter dem Markennamen SISCAN® C
vertrieben wird, eine Retroreflektor enthalten, der parallel zur Einfallsrichtung
eines auftreffenden Lichtstrahls hochfrequente Schwingungen ausführt.
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Eine ähnliche
Anordnung ist aus einem Aufsatz von N. Baksh mit dem Titel "An
autocorrelator-interferometer used to determine the pulse width
of a pulsed laser used in two-photon endoscopy", Thesis MIT,
June 25, cita-table URI: http://hdl.handle.net/1721.1/32882 bekannt.
Bei dem dort beschriebenen Weglängenmodulator wird das
Licht mit Hilfe eines in Drehschwingungen versetzten Retroreflektors
auf einen feststehenden Planspiegel umgelenkt und in sich zurückreflektiert.
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Aus
der
DE 199 63 161
A1 ist ein optischer Weglängenmodulator für
einen faseroptischen Kohärenztomographen bekannt, der zwei
parallel zueinander angeordnete Planspiegel aufweist, die auf einem rotierenden
Drehtisch angeordnet sind. Der Weglängenmodulator umfasst
ferner eine Kollimatorlinse, die das aus einem Austrittsfenster
einer optischen Faser austretende Licht kollimiert und auf die rotierende
Spiegelanordnung richtet. Das von der Spiegelanordnung reflektierte
kollimierte Lichtbündel trifft auf einen ortsfesten Planspiegel,
der das Lichtbündel zurück auf die Spiegelanordnung
reflektiert. Das von dort reflektierte Licht wird durch die Kollimatorlinse wieder zurück
auf das Austrittsende der optischen Faser abgebildet.
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Nachteilig
bei dieser bekannten Anordnung ist, dass während einer
vollständigen Umdrehung der Spiegelanordnung relativ lange
Totzeiten auftreten. Darunter versteht man Zeiten, bei denen das
Licht aus welchen Gründen auch immer nicht genutzt werden
kann. Bei dem bekannten Weglängenmodulator ist beispielsweise
das Licht nicht nutzbar, das auf die Rückseiten der rotierenden
Spiegel fällt. Außerdem ist selbst außerhalb
der Totzeiten die Intensität des in das Austrittsfenster
der optischen Faser eingekoppelten Lichts starken Schwankungen unterworfen. Zurückgeführt
werden muss dies auf unvermeidliche Lageungenauigkeiten oder während
des Betriebs auftretende Vibrationen der Spiegelanordndung. Kommt
es zu geringfügigen Verkippungen der beiden rotierenden
Planspiegel, so wird das auf den festen Spiegel auftreffende Licht
nicht mehr exakt in sich selbst zurückreflektiert. Das
Austrittsende der optischen Faser wird dann nicht mehr exakt auf
sich selbst abgebildet, sondern oszilliert mit der Vibrationsfrequenz
des Spiegels.
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Eine
Verbesserung in dieser Hinsicht wird bei einem Weglängenmodulator
erreicht, wie er aus dem eingangs genannten Aufsatz von N.
Delachenal mit dem Titel "Robust and rapid optical low-coherence reflectometer
using a polygon mirror" beschrieben ist. Bei diesem
bekannten Weglängenmodulator wird ein Austrittsfenster
einer optischen Faser von einer dahinter angeordneten Linse auf
einen planen Referenzspiegel abgebildet. Im Lichtweg dazwischen
sind ein rotierender Polygonscanner und ein quaderförmiges
Glasprisma angeordnet. Das Glasprisma wirkt dabei als Retroreflektor
und bewirkt, dass von dem Polygonscanner reflektiertes Licht wieder
auf diesen zurückreflektiert wird, so dass es stets senkrecht
auf den Referenzspiegel fällt. Falls sich infolge von Vibrationen
des Polygonscanners der Brennpunkt des Lichts auf dem Referenzspiegel
verschiebt, so führt die durch die Linse herbeigeführte
optische Konjugation zwischen dem Referenzspiegel und dem Austrittsfenster
der optischen Faser dazu, dass das auf dem Referenzspiegel entstehende
Bild des Austrittsfensters stets wieder zurück auf das
Austrittsfenster abgebildet wird.
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Es
hat sich allerdings gezeigt, dass auch bei diesem bekannten Weglängenmodulator
unerwünschte Intensitätsschwankungen des weglängenmodulierten
Lichts auftreten können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Weglängenmodulator der
eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass Intensitätsschwankungen des
weglängenmodulierten Lichts weiter verringert werden.
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Gelöst
wird diese Aufgabe bei einem Weglängenmodulator gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 durch eine Auslegung der Optik derart, dass
auf die zweite reflektierende Fläche auftreffendes Licht
zumindest im Wesentlichen kollimiert ist.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei dem aus dem eingangs
genannten Aufsatz von N. Delachenal bekannten Weglängenmodulator die
Intensitätsschwankungen darauf zurückzuführen sind,
dass die sich verändernde optische Weglänge zwischen
der Kollimatorlinse und dem feststehenden Referenzspiegel die optische
Konjugation stört, d. h. das Austrittsfenster der optischen
Faser wird im allgemeinen nicht genau, sondern nur noch verschmiert auf
den Referenzspiegel abgebildet. Infolge der Rückabbildung
durch die Kollimatorlinse auf das Austrittsfenster wird dieses Bild
noch weiter verschmiert, so dass ein nicht vernachlässigbarer
Anteil des Lichts nicht in den Faserkern eingekoppelt werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Auslegung der Optik derart,
dass auf die sich bewegende zweite reflektierende Fläche
auftreffendes Licht zumindest im Wesentlichen kollimiert ist, wird
sichergestellt, dass sich Weglängenänderungen
des Lichts nicht auf die das Bild auswirken, das auf der ortsfesten
ersten reflektierenden Fläche entsteht. Bei dem erfindungsgemäßen
Weglängenmodulator kann deswegen zwar das Bild des optischen
Fensters infolge von Lageungenauigkeiten und Vibrationen der sich
bewegenden zweiten reflektierenden Fläche an unterschiedlichen Orten
auf der ersten reflektierenden Fläche entstehen, jedoch
hat dieses Bild stets die gleiche Größe und Qualität
unabhängig von der jeweiligen Weglängenmodulation.
Folglich hat auch das in das optische Fenster schließlich
wieder eingekoppelte Licht, abgesehen von eventuell auftretenden
Totzeiten, stets eine konstante Intensität.
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Bei
dem optischen Fenster kann es sich um das Lichtaustrittsfenster
einer optischen Faser oder eines integrierten optischen Wellenleiters
handeln. In Betracht kommt jedoch auch eine Blendenöffnung (einhole),
wie sie insbesondere in optischen Geräten mit Freistrahlausbreitung
Verwendung findet.
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Die
reflektierenden Flächen können als Spiegel ausgebildet
sein, die einen Spiegelträger und eine darauf aufgebrachte
reflektierende Beschichtung aufweisen. Bei den reflektierenden Flächen kann
es sich jedoch auch um die Grenzflächen zwischen optisch
dichteren und optisch dünneren Medien handeln, wie sie
bei Prismen auftreten.
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Die
Optik kann als Kollimator ausgebildet sein, der im Lichtweg zwischen
dem optischen Fenster und der zweiten reflektierenden Fläche
angeordnet ist. Ein derartiger Kollimator hat insgesamt positive
Brechkraft und enthält deswegen mindestens eine Linse oder
einen gekrümmten Spiegel mit sammelnder Wirkung.
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Besonders
einfach kann die Optik ausgelegt werden, wenn mehrere dritte planare
reflektierende Flächen vorgesehen sind, die das von der
bewegbar angeordneten zweiten re flektierenden Fläche reflektierte
Licht zurück auf den Kollimator richten, der das Licht
auf die erste reflektierende Fläche fokussiert und auf
diese Weise die Abbildung des optischen Fensters auf die erste reflektierende
Fläche bewirkt. Bei dieser Abbildung wird der Kollimator
somit zweifach durchtreten, so dass man mit nur einem Kollimator
zum einen die erfindungsgemäße Kollimation und andererseits
die Abbildung des optischen Fensters auf die erste reflektierende
Fläche gewährleisten kann. Das Bild des optischen
Fensters, das auf der ortsfesten ersten reflektierenden Fläche
entsteht, wird auch bei dieser Ausgestaltung der Erfindung zurück
auf das optische Fenster abgebildet. Somit können sich
Lageungenauigkeiten oder Vibrationen der bewegbar angeordneten zweiten
reflektierenden Fläche auch bei dieser Ausgestaltung nicht
auf die Einkopplung des Lichts in das optische Fenster auswirken.
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Vorzugsweise
ist dann wenigstens eine der dritten reflektierenden Flächen
ortsfest derart angeordnet, dass sie auftreffendes kollimiertes
Licht in sich zurückreflektiert. Dies ist zum einen vorteilhaft, weil
auf diese Weise das von der bewegbar angeordneten zweiten Fläche
reflektierte Licht in sich zurückreflektiert wird und somit
den gleichen Weg zurück zum Kollimator nimmt wie bei seinem
erstmaligen Durchtritt durch den Kollimator in Richtung zur bewegbaren
zweiten reflektierenden Fläche. Außerdem wird
durch eine solche ortsfeste dritte reflektierende Fläche
sichergestellt, dass das Licht, bevor es zum ersten Mal auf die
erste reflektierende Fläche trifft, bereits zweimal von
der beweglichen zweiten Fläche reflektiert wurde. Nach
der Reflexion an der ersten reflektierenden Fläche folgt
das Licht diesem Weg ein zweites Mal, jedoch in umgekehrter Richtung.
Insgesamt wird das Licht somit zwischen dem Austritt aus und dem
Eintritt in das optische Fenster insgesamt viermal von der bewegbar
angeordneten zweiten Fläche reflektiert. Dadurch ergibt
sich ein besonders großer Weglängenhub.
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Wenn
der Kollimator sowohl die Kollimierung als auch die optische Abbildung
mittels Mehrfachdurchtritt bewirkt, sind die erste reflektierende
Fläche und das optische Fenster zumindest im Wesentlichen koplanar
angeordnet, da sich beide in der Brennebene des Kollimators befinden.
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Durch
eine gezielte Dejustierung kann erreicht werden, dass das Bild des
optischen Fensters auf der ersten reflektierenden Fläche
in einem größeren Abstand zum optischen Fenster
erzeugt wird.
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Günstiger
wird es aber im Allgemeinen sein, wenn die erste reflektierende
Fläche in unmittelbarer Nähe des optischen Fensters
angeordnet ist. Insbesondere kann der kürzeste Abstand
zwischen der ersten reflektierenden Fläche und dem optischen Fenster
kleiner als die größte Quererstreckung des optischen
Fensters sein.
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Dadurch
ist der Strahlengang vor und nach der Reflexion an der ortsfesten
ersten reflektierenden Fläche praktisch identisch, was
zu einer besseren Einkopplung des Lichts in das optische Fenster
führt. Der Abstand zwischen dem optischen Fenster und dessen
Bild auf der ortsfesten ersten reflektierenden Fläche muss
lediglich so bemessen sein, dass Verschiebungen dieses Bildes, wie
sie insbesondere durch Vibrationen der bewegbar angeordneten zweiten
reflektierenden Fläche entstehen können, nicht dazuführen,
dass Licht bereits in das optische Fenster eintritt, bevor es einmal
an der ersten reflektierenden Fläche reflektiert wurde.
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Eine
besonders einfache Realisierung einer ersten reflektierenden Fläche
in unmittelbarer Nähe zum optischen Fenster ergibt sich,
wenn das optische Fenster das Lichtaustrittsfenster einer optischen
Faser ist, die einen lichtführenden Faserkern und einen
Fasermantel aufweist. Die erste reflektierende Fläche kann
dann durch eine reflektierende Beschichtung gebildet werden, die
auf einer Stirnfläche des Fasermantels aufgebracht ist.
Derartige optische Fasern sind am Markt im Zusammenhang mit anderen
Verwendungen erhältlich. Die Eigenschaft, dass die Beschichtung
reflektierend ist, ergibt sich jedoch eher als Nebenprodukt aus
anderen technologischen Anforderungen und wird bei diesen Verwendungen
bislang nicht ausgenutzt.
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Wird
die zweite reflektierende Fläche beispielsweise um 45° zu
einer optischen Achse des Kollimators angeordnet und entlang dieser
Achse oszillierend vor und zurück be wegt, so sind keine
dritte reflektierenden Flächen erforderlich um sicherzustellen,
dass das von der Optik kollimierte Licht auf die erste ortsfeste
reflektierende Fläche fallen kann. In diesem Fall muss
zwischen der sich bewegenden zweiten reflektierenden Fläche
und der ortsfesten ersten reflektierenden Fläche lediglich
ein weiterer Teil der Optik angeordnet sein, der das kollimierte Licht
auf die ortsfeste erste reflektierende Fläche fokussiert
und dadurch dort ein Bild des optischen Fensters erzeugt. Allerdings
lassen sich mit solchen linearbeweglich geführten Spiegeln
keine hohen Wiederholfrequenzen und nur ein relativ geringer Weglängenhub
erzeugen.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite reflektierende
Fläche deswegen um eine Drehachse drehbar angeordnet. Nur
mit sich drehenden reflektierenden Flächen lassen sich
hochfrequente Weglängenmodulationen mit großen
Weglängenhüben erzeugen. Bei der Drehung kann
es sich auch um eine Drehschwingung handeln, bei der die zweite
reflektierende Fläche vorzugsweise periodisch seine Drehrichtung ändert.
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Eine
drehbar angeordnete zweite reflektierende Fläche kann auf
einer um die Drehachse in Drehung versetzbaren Tragstruktur, insbesondere
einem Drehtisch, angeordnet sein. Auf einem Drehtisch oder einer
anderen geeigneten Tragstruktur lassen sich dann auch mehrere zweite
reflektierende Flächen auf einer zur Drehachse konzentrischen Kreislinie
anordnen. Die dadurch entstehende Anordnung ist vorzugsweise regelmäßig
aufgebaut in dem Sinne, dass jeweils zwei benachbarte zweite reflektierende
Flächen den gleichen Winkel einschließen. Der
optische Weglängenmodulator erzeugt dann bei einer Umdrehung
der Tragstruktur eine periodische Modulation der optischen Weglänge.
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Wenn
der Weglängenmodulator mehrere dritte reflektierende Flächen
aufweist, so können mehrere Gruppen, die jeweils eine zweite
und mindestens eine der dritten reflektierenden Flächen
umfassen, gemeinsam auf der Tragstruktur angeordnet sein.
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So
ist es beispielsweise möglich, dass jede Gruppe eine zweite
und eine dritte reflektierende Fläche aufweist, die zueinander
einen Winkel von 90° einschließen. Jede Gruppe
bildet dann einen ebenen Retroreflektor, d. h. einen Reflektor,
der in seiner Symmetrieebene einfallendes Licht stets parallel versetzt
zurückreflektiert.
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Vor
allem im Falle von sich drehenden Retroreflektoren kann es günstig
sein, wenn das auf die ortsfeste dritte reflektierende Fläche
auftreffende Licht sich entlang einer ersten Ausbreitungsrichtung ausbreitet,
die einen Winkel zu einer zweiten Ausbreitungsrichtung einschließt,
entlang der sich das Licht zwischen dem Kollimator und der zweiten
reflektierenden Fläche ausbreitet, wobei die Drehachse parallel
zu einer durch die erste und die zweite Ausbreitungsrichtung definierten
Ebene verläuft. Auf diese Weise lässt sich verhindern,
dass der Kollimator die Lichtausbreitung zwischen der bewegbar angeordneten
zweiten reflektierenden Fläche und der ortsfest angeordneten
dritten reflektierenden Fläche behindert.
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Erzeugt
werden kann eine solche geneigte Anordnung der Ausbreitungsrichtungen
durch eine geneigte Anordnung der zweiten und/oder dritten reflektierenden
Flächen. Noch einfacher lässt sich dies erreichen,
wenn die die Drehachse selbst einen von 90° verschiedenen
Winkel zu der zweiten Ausbreitungsrichtung einschließt.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel weist jede Gruppe eine
zweite und eine dritte reflektierende Fläche auf, die zueinander
einen Winkel von 45° einschließen. Eine solche
Gruppe bildet einen Reflektor, der einfallendes Licht stets um 90° ablenkt.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel weist die Optik eine von dem
Kollimator verschiedene Teiloptik mit Sammelwirkung auf. Diese Teiloptik
ist im Lichtweg zwischen der ersten reflektierenden Fläche
und der zweiten reflektierenden Fläche angeordnet und so
ausgelegt, dass sie von der zweiten reflektierenden Fläche
reflektiertes Licht auf die erste reflektierende Fläche
fokussiert.
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Bei
dieser Ausgestaltung befindet sich die drehbar angeordnete zweite
reflektierende Fläche somit im kollimierten Strahlengang
zwischen dem Kollimator und der Teiloptik. Da das Licht zwischen dem
Austritt aus dem und den Eintritt in das optische Fenster lediglich
zweimal von der sich bewegenden zweiten reflektierenden Fläche
reflektiert wird, ist der Weglängenhub etwas kleiner. Dafür
sind die Totzeiten sehr kurz, da bei dieser Anordnung keine sich drehende
Gruppen von zwei oder mehreren reflektierenden Flächen
erforderlich sind, die das Licht in eine ganz bestimmte Richtung,
z. B. parallel zur Einfallsrichtung oder senkrecht dazu, reflektieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kohärenztomographen mit
einem erfindungsgemäßen optischen Weglängenmodulator
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine
ausschnittsweise perspektivische Darstellung des in der 1 gezeigten
Weglängenmodulators;
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3 einen
seitlichen meridionalen Schnitt durch den in der 1 gezeigten
Weglängenmodulator;
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4 eine
Draufsicht auf ein Austrittsfenster einer optischen Faser mit einem
umgebenden, mit einer reflektierenden Beschichtung versehenen Fasermantel;
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5 schematisch
eine ausschnittsweise Draufsicht auf den Weglängenmodulator
in fünf verschiedenen Drehstellungen eines der Retroreflektoren;
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6 eine
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Weglängenmodulators;
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7 eine
schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Weglängenmodulators;
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8 eine
schematische perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Weglängenmodulators.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Die 1 zeigt
in schematischer Darstellung einen optischen Kohärenztomographen 10,
der zur Vermessung eines Messobjekts 11 vorgesehen ist. Der
Kohärenztomograph 10 enthält eine Lichtquelle 12,
bei der es sich beispielsweise um eine Superlumineszenz-Diode handeln
kann. Das von der Lichtquelle 12 erzeugte Licht wird mit
Hilfe einer Sammellinse 14 in eine erste optische Faser 16 einge koppelt, die
mit einem optischen Koppler 18 verbunden ist. Der Koppler 18 leitet
einen Teil des in der ersten optischen Faser 16 geführten
Lichts in eine zweite optische Faser 20, die zusammen mit
endseitig angeordneten Linsen 22, 24 einen Messarm 26 des
Kohärenztomographen 10 bildet. Der übrige
Teil des in der ersten optischen Faser 16 geführten
Lichts wird vom Koppler 18 in eine dritte optische Faser 26 eingekoppelt,
die zusammen mit einem noch näher zu erläuternden
optischen Weglängenmodulator 28 einen Referenzarm 30 des
Kohärenztomographen 10 bildet.
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In
dem Referenzarm 30 wird das Licht reflektiert, wobei die
zurückgelegte optische Weglänge mit Hilfe des
Weglängenmodulators 28 verändert wird. Das
im Referenzarm 30 reflektierte Licht wird über den
Koppler 18 in eine dritte optische Faser 31 eingekoppelt
und einem Detektor 32 zugeführt. Dort überlagert
sich das Referenzlicht aus dem Referenzarm 30 mit Messlicht,
das am Messobjekt 11 reflektiert, über die Linsen 22, 24 zurück
in die zweite optische Faser 20 eingekoppelt und über
den Koppler 18 ebenfalls dem Detektor 32 zugeleitet
wurde. Die optische Weglängenmodulation im Weglängenmodulator 28 ermöglicht
eine scannerartige Vermessung des Messobjekts 10 entlang
einer durch die Linsen 22, 24 festgelegten optischen
Achse des Messarms 26.
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Da
der Kohärenztomograph 10 insoweit, abgesehen von
dem Weglängenmodulator 28, bekannt ist, wird auf
eine detailliertere Beschreibung von Aufbau und Funktion verzichtet.
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Im
Folgenden wird der Weglängenmodulator 28 näher
mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben,
wobei die 2 einen perspektivischen Ausschnitt
aus dem Weglängenmodulator 28 und die 3 einen
seitlichen Meridionalschnitt zeigt.
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Der
Weglängenmodulator 28 weist einen Drehtisch 34 auf,
der um eine Drehachse 36 drehbar angeordnet ist. Auf dem
Drehtisch 34 sind auf einer konzentrisch zur Drehachse 36 verlaufenden
Kreislinie mehrere für einen ebenen Strahlengang ausgelegte
Retroreflektoren 38 gleichmäßig verteilt
angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind
die Retroreflektoren 38 als Prismen ausgebildet, deren
Grundfläche die Form eines rechtwinkligen und gleichschenkligen
Dreiecks hat.
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Zwischen
einem Lichtaustrittsfenster 40 der dritten optischen Faser 26 und
dem Drehtisch 34 ist eine Kollimatorlinse 42 angeordnet,
die das aus dem Lichtaustrittsfenster 40 austretende divergierende Referenzlicht
kollimiert. Wie am besten in dem seitlichen Meridionalschnitt der 3 erkennbar
ist, trifft das mit der Bezugsziffer 44 bezeichnete kollimierte Licht
unmittelbar, d. h. ohne mit optischen Flächen in Wechselwirkung
zu treten, auf einen der Retroreflektoren 38. Dort wird
es zunächst an einer reflektierenden Fläche 45 und
dann an einer weiteren reflektierenden Fläche 47 reflektiert.
Wie man am besten in der 1 erkennen kann, wird das kollimierte
Referenzlicht infolge der zweimaligen Reflexion in dem Retroreflektor 38 um
180° in der Symmetrieebene des Retroreflektors 38 umgelenkt
und auf einen ortsfesten Planspiegel 46 gerichtet.
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Wie
aus dem seitlichen Meriodionalschnitt der 3 hervorgeht,
verläuft die Drehachse 36 des Drehtischs 34 nicht
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des kollimierten Lichts 44,
sondern schließt hierzu einen Winkel α < 90° ein.
Dadurch sind auch die Retroreflektoren 38 mit den reflektierenden
Flächen 45, 47 geneigt gegenüber
der Ausbreitungsrichtung des kollimierten Lichts 44 angeordnet.
Folglich verläuft die Ausbreitungsrichtung des von dem
Retroreflektor 38 reflektierten und mit der Bezugsziffer 48 bezeichneten
Lichts nicht parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichts 44,
sondern schließt einen Winkel ungleich 2·α hierzu
ein. Lediglich in einer Projektion entlang der Drehachse 38 verlaufen
beide Ausbreitungsrichtungen parallel, wie dies in der 1 erkennbar
ist. Dort ist die Verkippung der Drehachse 36 aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Neigung der
Drehachse 36 stellt sicher, dass der ortsfeste Planspiegel 46 außerhalb
des Strahlengangs des kollimierten Lichts 44 angeordnet
sein kann.
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Der
Planspiegel 46 ist annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des von dem Retroreflektor 38 reflektierten Lichts 48 angeordnet,
so dass dieses Licht in sich selbst zurückreflektiert wird
und die vorstehend beschriebenen Lichtwege in umgekehrter Reihenfolge
zurück zum Lichtaustrittsfenster 40 der dritten
optischen Faser 26 zurücklegt. Bei exakt senkrechter
Ausrichtung des ortsfesten Planspiegels 46 zur Ausbreitungsrichtung
des von dem Retroreflektor 38 reflektierten Lichts 48 würde
infolge des identischen Strahlengangs vor und nach der Reflexion
am ortsfesten Planspiegel 46 das Austrittsfenster 40 der
dritten optischen Faser 26 durch den zweimal vom Licht
durchtretenen Kollimator 42 auf sich selbst abgebildet.
Die Drehung des Retroreflektors 38 um die Drehachse 36 kann
dabei wegen der um viele Größenordnungen höheren
Geschwindigkeit des Lichts vernachlässigt werden.
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Nicht
vernachlässigt werden können jedoch Justagetoleranzen
und Vibrationen des Retroreflektors 38 infolge seiner Drehbewegung
um die Drehachse 36. Die Vibrationen führen faktisch
zu geringfügigen Verlagerungen der Drehachse 36,
so dass das von dem Retroreflektor 38 reflektierte Licht 48 unter
Umständen nicht mehr exakt senkrecht auf den ortsfesten
Planspiegel 46 fiele. Das dort reflektierte Licht nähme
dann einen etwas anderen Weg zurück in Richtung des Kollimators 42.
Als Folge davon würde das Bild des Austrittsfensters 40 ohne
zusätzliche Maßnahmen nicht mehr zentriert auf
dem Austrittsfenster 40 entstehen, sondern mehr oder weniger
dezentriert hierzu. Bei zeitlich variierenden Dejustierungen, wie
sie durch Vibrationen des Retroreflektors 38 während
seiner Drehung auftreten, wären diese Dezentrierungen mit
den Vibrationen des Retroreflektors 38 korreliert. Die
Folge einer Dezentrierung des Bildes des optischen Austrittsfensters 40 sind
eine verschlechterte Einkopplung des Referenzlichts in die dritte
optische Faser 26, was sich als Intensitätsschwankung
des im Referenzarm 30 geführten Lichts bemerkbar
macht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Weglängenmodulator 28 ist
deswegen der ortsfeste Planspiegel 46 so justiert, dass
unabhängig von konstanten oder zeitabhängigen
Dejustierungen von optischen Elementen im Strahlengang das Bild
des Austrittsfensters 40 deutlich versetzt zum Austrittsfenster 40 entsteht.
In der 4, die eine Draufsicht auf das Ende der dritten
optischen Faser 26 zeigt, sind das durch den Faserkern
der dritten optischen Faser 26 gebildete Lichtaustrittsfenster 40 und
ein den Faserkern umgebender Fasermantel 50 erkennbar.
Die Stirnfläche des Fasermantels 50 ist mit einer
reflektierenden Beschichtung versehen, die eine zumindest im Wesentlichen
planare reflektierende Fläche 52 in unmittelbarer
Nähe zum Austrittsfenster 40 bildet. Die reflektierende
Fläche 52 befindet sich in der gleichen Ebene
wie das Austrittsfenster 40 und damit ebenfalls in der
Brennebene des Kollimators 42.
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Das
Bild des Austrittsfensters 40 entsteht bei der erfindungsgemäßen
Ausrichtung des ortsfesten Planspiegels 46 auf der reflektierenden
Fläche 52 des Fasermantels 50. Das zu
einem gegebenen Zeitpunkt entstehende Bild ist in der 4 als
grau hinterlegte Fläche dargestellt und mit 40' bezeichnet. Dieses
Bild 40' wandert infolge Vibrationen des Drehtischs 34 über
die reflektierende Beschichtung 52 hinweg, wie dies durch
gepunktete Kreise 40'' für verschiedene Zeitpunkte
angedeutet ist. Im Allgemeinen wird der Bereich, über den
hinweg das Bild 40' des Austrittsfensters 40 hin
und her wandert, räumlich begrenzt sein, wie dies in der 4 durch
einen gestrichelten Kreis 54 angedeutet ist. Für
die Funktion kann es deswegen ausreichen, nur die von dem Kreis 54 umschlossene
Fläche mit einer reflektierenden Beschichtung zu versehen.
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Alternativ
hierzu ist es selbstverständlich möglich, eine
reflektierende Fläche 54 außerhalb der dritten
optischen Faser 26 anzuordnen und z. B. als zusätzlichen
ortsfesten Spiegel zu realisieren. Je weiter allerdings das Bild 40' von
der optischen Achse des Kollimators 42 entfernt ist, desto
schlechter wird im Allgemeinen die Abbildung durch den Kollimator 42.
Wenn ein durch Abbildungsfehler relativ stark verschmiertes Bild 40' dann
nochmals durch den Kollimator 42 auf das Austrittsfenster 40 abgebildet
wird, besteht die Gefahr, dass nur noch ein Teil des Lichts in die
dritte optische Faser 26 eingekoppelt werden kann.
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Wie
vorstehend bereits kurz angedeutet, wird das Bild 40' des
Austrittsfensters 40 nun exakt auf das Austrittsfenster 40 durch
den Kollimator 42 abgebildet. Das von der Fläche 52 reflektierte
Licht tritt hierzu erneut durch den Kollimator 42 hindurch, wird
an dem Retroreflektor 38 reflektiert, am ortsfesten Planspiegel 46 in
sich zurückgeworfen und trifft erneut auf einen Retroreflektor 38.
Von dort gelangt das Licht wieder auf den Kollimator 42 und
wird von diesem exakt auf das Austrittsfenster 40 fokussiert.
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Das
aus dem Lichtaustrittsfenster 40 austretende Licht wird
somit, bevor es wieder in das Lichtsaustrittsfenster 40 eintritt,
einmal am ortsfesten Planspiegel 46, einmal an der auf
den Fasermantel 50 aufgebrachten reflektierenden Beschichtung 52 und noch
ein zweites Mal an dem ortsfesten Planspiegel 46 reflektiert.
Dazwischen durchläuft das Licht jeweils insgesamt viermal
den Kollimator 42 sowie den Retroreflektor 38.
Durch den viermaligen Durchtritt durch den Retroreflektor wird der
Weglängenhub, der sich aus der Bewegung des Retroreflektors 38 ergibt, ebenfalls
vervierfacht. Die Abbildung des Austrittsfensters 40 auf
die ortsfeste reflektierende Beschichtung 52 des Fasermantels 50 führt
dazu, dass trotz des relativ langen Lichtweges Justagefehler und
Vibrationen des Drehtischs 34 die Einkopplung des Lichts
in das Austrittsfenster 40 nicht beeinträchtigen.
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Die 5 zeigt
schematisch eine ausschnittsweise Draufsicht auf den Weglängenmodulator 28 in
fünf verschiedenen Drehstellungen eines der Retroreflektoren 38.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur einer
der Retroreflektoren gezeigt und die Neigung der Drehachse 36 nicht
dargestellt.
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Wie
durch einen Pfeil in der linken Teildarstellung angedeutet, wird
angenommen, dass der Retroreflektor 38 sich mit dem Drehtisch 34 entgegen dem
Uhrzeigersinn um die Drehachse 36 dreht. In den verschiedenen
Teildarstellungen ist gut erkennbar, wie ein Lichtstrahl nach der
Reflexion am Retroreflektor 38 parallel auf den ortsfesten
Planspiegel 46 gerichtet und von dort in sich zurück
reflektiert wird (abgesehen von der oben ausführlich beschriebenen gezielten
Dejustierung). Der optische Weg, den das Licht dabei zwischen dem
Austritt aus dem Kolli mator 42 und der Reflexion an dem
ortsfesten Planspiegel 46 zurücklegt, hängt
dabei von der Drehstellung des Drehtischs 34 ab, wie aus
den verschiedenen Teildarstellungen der 5 deutlich
wird. Da das Licht den in den Teildarstellungen gezeigten Weg insgesamt viermal
zurücklegt, wird ein großer Weglängenhub erreicht.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel stellt
die durch die Beschichtung auf dem Fasermantel 50 gebildete
reflektierende Fläche 52 eine erste reflektierende
Fläche dar, auf die das Austrittsfenster 40 abgebildet
wird. Eine zweite reflektierende Fläche, die plan und bewegbar
angeordnet ist, wird durch die reflektierende Fläche 45 des Retroreflektors 38 gebildet,
auf die das vom Kollimator 42 kollimierte Licht als erstes
trifft. Die andere Fläche 47 des Retroreflektors 38 sowie
der ortsfeste Planspiegel 46 bilden dritte reflektierende
Flächen, die sicherstellen, dass das von der zweiten reflektierenden
Fläche 45 reflektierte Licht zurück auf
den Kollimator 42 gerichtet wird.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Eine ähnlich
Anordnung reflektierender Flächen wie bei dem in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist bei dem in der 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
vorgesehen. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind dabei
mit um 100 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.
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Im
Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind bei dem in der 6 gezeigten Wel lenlängenmodulator 128 auf
dem Drehtisch 134 keine in der Ebene wirkende Retroreflektoren,
bei denen die reflektierenden Flächen einen Winkel von
90° bilden, sondern Anordnungen von jeweils zwei in einem
Winkel von 45° zueinander ausgerichteten Planspiegeln 145, 147 vorgesehen. Die
zwei Planspiegel 145, 147 können natürlich
auch durch ein Pentaprisma ersetzt sein.
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Infolge
des Winkels von 45° zwischen den beiden Planspiegeln 145, 147 wird
das auf den Planspiegel 145 auftreffende kollimierte Licht
nach weiterer Reflexion an dem anderen Planspiegel 147 um insgesamt
90° umgelenkt und auf den ortsfesten Planspiegel 146 gerichtet.
Durch diese seitliche Umlenkung um 90° ist es bei dem Weglängenmodulator 128 nicht
erforderlich, die Drehachse 36 verkippt anzuordnen.
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Im
Vergleich zu den in einer Ebene wirkenden Retroreflektoren 38 entsteht
bereits nach einem Drehwinkel von 20° eine Totzeit, während
derer das kollimierte Licht 44 von einer Gruppe von Planspiegeln 145, 147 zur
nächsten wechselt. Ferner ist bei gleicher Baugröße
der erzielbare Weglängenhub nur etwa halb so große
wie bei dem anhand der 1 bis 6 erläuterten
Weglängenmodulator 28.
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Dafür
ist die Konstruktion einfacher, weil auf die Verkippung der Drehachse 136 verzichtet
werden kann. Die Anordnung von reflektierenden Flächen 145, 147 auf
dem Drehtisch 134 lässt sich außerdem sehr
einfach mit Hilfe von acht einzelnen beidseitig verspiegelten Platten
erzeugen, die zwischen sich jeweils einen Winkel von 45° einschließen
und sich auf der Drehachse 136 des Drehtischs 134 treffen.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Die 7 zeigt
einen Ausschnitt aus einem optischen Weglängenmodulator
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
in schematischer Darstellung. Gleiche oder einander entsprechende
Teile sind dabei mit um 200 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.
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Im
Unterschied zu den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
sind hier auf dem Drehtisch 234 keine Prismen oder mehrere Spiegel
umfassende Gruppen, sondern nur einzelne Planspiegel 245 angeordnet.
Der sich drehende Planspiegel 245, der jeweils dem kollimierten
Licht 244 ausgesetzt ist, reflektiert das Licht in Richtung auf
einen in einer Symmetrieebene wirkenden ortsfesten Retroreflektor 260.
Dieser reflektiert das Licht parallel versetzt auf den betreffenden
sich drehenden Planspiegel 245 zurück. Von dort
wird das Licht senkrecht auf den ortsfesten Planspiegel 246 gerichtet, der
das Licht in sich zurückreflektiert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das Austrittsfenster 240 auf die sich in der Nähe
des Austrittsfensters 240 befindende reflektierende Fläche 252 abgebildet. Dieses
Abbild wird dann zurück auf das Austrittsfenster 240 abgebildet.
Der ortsfeste Retroreflektor 260 gewährleistet
somit einen vom Ergebnis her ähnlichen Strahlengang, wie
er bei dem in den 1 bis 5 gezeigten
Weglängenmodulator 28 erzielt wird.
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Der
ortsfeste Retroreflektor 260 und der ortsfeste Planspiegel 246 sind
in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 7 in
einer Weise übereinander angeordnet, wie dies ähnlich
für den ortsfesten Planspiegel 46 in der 3 gezeigt
ist. Erreicht werden kann dies auch hier durch eine Neigung der
Drehachse, um die der Drehtisch 234 gedreht werden kann.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel sehr viele Planspiegel 245 auf
dem Drehtisch 234 angeordnet werden können, eignet
er sich besonders für Anwendungen, bei denen hohe Wiederholraten
mit nicht zu großem Weglängenhub erforderlich
sind.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel stellt die durch die Beschichtung
auf dem Fasermantel gebildete reflektierende Fläche 252 eine
erste reflektierende Fläche dar, auf die das Austrittsfenster 240 abgebildet
wird. Eine zweite reflektierende Fläche, die plan und bewegbar
angeordnet ist, wird durch den sich drehenden Planspiegel 245 gebildet,
auf den das vom Kollimator 242 kollimierte Licht trifft.
Die beiden reflektierenden Flächen des Retroreflektors 260 bilden
ortsfeste dritte dritte reflektierende Flächen, die sicherstellen,
dass das von der zweiten reflektierenden Fläche reflektierte
Licht zurück auf den Kollimator 242 gerichtet
wird.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Die 8 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung wesentliche Teile eines Weglängenmodulators 328 gemäß ei nem
vierten Ausführungsbeispiel. Ähnlich wie bei dem
in der 7 gezeigten Weglängenmodulator 228 sind
dort auf dem Drehtisch 34 mehrere Planspiegel 345 angeordnet.
In der 8 ist nur einer dieser Planspiegel 345 in
verschiedenen Drehstellungen gezeigt. Durch eine Verkippung der
Drehachse oder eine gleichwirkende Schrägstellung der Planspiegel 345 auf
dem Drehtisch wird auch bei diesem Ausführungsbeispiel
erreicht, dass die Ausbreitung des von dem sich drehenden Planspiegel 345 reflektierten
Lichts 348 nicht durch den hier aus zwei Sammellinsen bestehenden Kollimator 342 beeinträchtigt
wird.
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Im
Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
ist zwischen dem sich drehenden Planspiegel 345 und dem
ortsfesten Planspiegel 352 eine weitere Sammellinse 362 angeordnet,
die das auftreffende kollimierte Licht 348 auf den ortsfesten
Planspiegel 352 fokussiert. Das Bild des Austrittsfensters 340 entsteht
somit direkt auf dem ortsfesten Planspiegel 352. Dejustierungen,
wie sie unter anderem durch Vibrationen des sich drehenden Planspiegels 345 verursacht
sein können, führen auch bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht zu Schwankungen der zurück in das Austrittsfenster 340 eingekoppelten
Intensität, da durch die optische Konjugation zwischen
dem Austrittsfenster 340 und dem ortsfesten Planspiegel 352 stets
sichergestellt ist, dass das bei der Bewegung des Planspiegels 345 über
den ortsfesten Planspiegel 46 wandernde Bild des Austrittsfensters 340 wieder
exakt auf dieses zurück abgebildet wird.
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Da
bei diesem Ausführungsbeispiel das Licht nur zweimal von
dem sich drehenden Planspiegel 345 reflektiert wird, ist
der Weglängenhub kleiner als bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen. Dafür sind die Totzeiten
zwischen den einzelnen Modulationszyklen sehr kurz.
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Da
der sich drehende Spiegel 245 im kollimierten Strahlengang
angeordnet ist, bleibt die durch den Kollimator 342 und
die Sammellinse 362 bewirkte optische Abbildung unbeeinflusst
von der Stellung des jeweils dem kollimierten Lichts 344 ausgesetzten Planspiegels 245.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel stellt der ortsfeste Planspiegel 352 eine
erste reflektierende Fläche dar, auf die das Austrittsfenster 340 abgebildet
wird. Eine zweite reflektierende Fläche, die plan und bewegbar
angeordnet ist, wird durch den sich drehenden Planspiegel 345 gebildet,
auf den das vom Kollimator 342 kollimierte Licht 344 trifft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - N. Delachenal
et al. mit dem Titel ”Robust and rapid optical low-coherence
reflectometer using a polygon mirror”, Optics Communications
162 (1999), Seiten 195–199 [0002]
- - N. Baksh mit dem Titel ”An autocorrelator-interferometer
used to determine the pulse width of a pulsed laser used in two-photon
endoscopy”, Thesis MIT, June 25, cita-table URI: http://hdl.handle.net/1721.1/32882 [0007]
- - N. Delachenal mit dem Titel ”Robust and rapid optical
low-coherence reflectometer using a polygon mirror” [0010]