DE102024201487A1 - Optical unit for fluorescence image display, in particular for an analysis device for detecting pathogens, and method for producing an optical unit - Google Patents
Optical unit for fluorescence image display, in particular for an analysis device for detecting pathogens, and method for producing an optical unitInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine optische Einheit (10) zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung, mit einer optischen Sendefaser (12), die dazu ausgebildet ist, eine über die Sendefaser (12) abgestrahlte elektromagnetische Strahlung (S) auf ein zu untersuchendes Objekt (O) auszurichten, und mit wenigstens einer optischen Empfangsfaser (14) zur Erfassung von dem Objekt (O) reflektierter elektromagnetischer Strahlung (S). The invention relates to an optical unit (10) for fluorescent light image display, comprising an optical transmission fiber (12) which is designed to direct electromagnetic radiation (S) emitted via the transmission fiber (12) onto an object (O) to be examined, and comprising at least one optical reception fiber (14) for detecting electromagnetic radiation (S) reflected by the object (O).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine optische Einheit zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung, die sich durch eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung sowie die Möglichkeit einer hohen Auflösung im Rahmen der Bildverarbeitung auszeichnet. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung mit einer erfindungsgemäßen optischen Einheit, insbesondere eine Analysevorrichtung zum mikrofluidischen Nachweis von Krankheitserregern über Nukleinsäureamplifikation, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Einheit.The invention relates to an optical unit for fluorescent image display, which is characterized by a particularly advantageous structural design and the possibility of high resolution in image processing. Furthermore, the invention relates to a device for fluorescent image display with an optical unit according to the invention, in particular an analysis device for the microfluidic detection of pathogens via nucleic acid amplification, and a method for producing an optical unit.
Stand der TechnikState of the art
Eine optische Einheit zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße optische Einheit zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie auf konstruktiv vorteilhafte Art und Weise eine erhöhte Auflösung bzw. eine verbesserte Verarbeitung des von einem Objekt mittels einer optischen Sendefaser angestrahlten und der von dem Objekt aufgrund der Anstrahlung ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung ermöglicht. Die elektromagnetische Strahlung kann bevorzugt Licht und insbesondere Fluoreszenzlicht umfassen, und wird im Weiteren verkürzt auch als Licht bezeichnet.The optical unit for fluorescent light image display according to the invention, with the features of claim 1, has the advantage that it enables, in a structurally advantageous manner, increased resolution or improved processing of the electromagnetic radiation illuminated by an object via an optical transmission fiber and emitted by the object as a result of the illumination. The electromagnetic radiation can preferably comprise light, and in particular fluorescent light, and is also referred to below for short as light.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die von der optischen Sendefaser abgestrahlte elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, in Bezug zur Strahlführungsachse der Sendefaser nicht geradlinig bzw. frontal auf das zu untersuchende Objekt abzustrahlen, sondern in einem Winkel in Bezug zur Strahlführungsachse der Sendefaser. Unter der Strahlführungsachse der Sendefaser ist dabei eine gerade Linie zu verstehen, die die Richtung angibt, entlang der sich aus der Sendefaser austretende Strahlung ohne weitere Ablenkung ausbreiten würde. Insbesondere gibt die Strahlführungsachse der Sendefaser die Richtung der geradlinigen Fortsetzung vom Ende der Sendefaser an, aus dem die Strahlung austritt. Dies ermöglicht es, im Zusammenhang mit mehreren mit der Sendefaser zusammenwirkenden Empfangsfasern mittels einer Sendefaser gleichzeitig mehrere, unter unterschiedlichen Winkeln aufgenommene elektromagnetische Strahlungen bzw. Licht des Objekts zu erfassen und auszuwerten.The invention is based on the idea of radiating the electromagnetic radiation, in particular laser radiation, emitted by the optical transmission fiber onto the object to be examined not in a straight line or frontally with respect to the beam guidance axis of the transmission fiber, but at an angle with respect to the beam guidance axis of the transmission fiber. The beam guidance axis of the transmission fiber is understood to be a straight line that indicates the direction along which radiation emerging from the transmission fiber would propagate without further deflection. In particular, the beam guidance axis of the transmission fiber indicates the direction of the straight continuation from the end of the transmission fiber from which the radiation emerges. This makes it possible, in conjunction with several receiving fibers interacting with the transmission fiber, to simultaneously detect and evaluate several electromagnetic radiations or light from the object, received at different angles, using a transmission fiber.
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einer optischen Einheit zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass diese eine Sendefaser aufweist, die dazu ausgebildet ist, die die elektromagnetische Strahlung aus einer Strahlführungsachse um einen Winkel abzulenken, insbesondere zu streuen, und dass mehrere Empfangsfasern vorgesehen sind. Die Empfangsfasern sind insbesondere dazu ausgebildet, die von dem Objekt ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung zu erfassen. Vorzugsweise sind zumindest einige der Empfangsfasern um die Sendefaser herum und insbesondere parallel zur Sendefaser angeordnet. Unter einer erfindungsgemäßen Ausbildung der Sendefaser ist insbesondere zu verstehen, dass ein Teil der Sendefaser, insbesondere ein Teil eines Endes der Sendefaser, ausgebildet ist, die Ablenkung bzw. Streuung der elektromagnetischen Strahlung zu bewirken. Insbesondere kann der Teil der Sendefaser dazu ein optisches Element, insbesondere ein Prisma aufweisen oder als ein derartiges optisches Element ausgeformt sein.Against the background of the above explanations, an optical unit for fluorescent light image display with the features of claim 1 is therefore provided such that it has a transmitting fiber designed to deflect, in particular to scatter, the electromagnetic radiation from a beam guidance axis by an angle, and that a plurality of receiving fibers are provided. The receiving fibers are designed in particular to detect the electromagnetic radiation emitted by the object. Preferably, at least some of the receiving fibers are arranged around the transmitting fiber and in particular parallel to the transmitting fiber. A design of the transmitting fiber according to the invention is to be understood in particular as meaning that a part of the transmitting fiber, in particular a part of one end of the transmitting fiber, is designed to cause the deflection or scattering of the electromagnetic radiation. In particular, the part of the transmitting fiber can have an optical element, in particular a prism, or can be shaped as such an optical element.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen optischen Einheit zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Advantageous further developments of the optical unit according to the invention for fluorescent light image display are listed in the subclaims.
Vorzugsweise je nachdem, wie viele Empfangsfasern zur Verfügung stehen bzw. mit wie vielen Empfangsfasern die von der Sendefaser abgestrahlte und von dem Objekt reflektierte elektromagnetische Strahlung des Objekts erfasst werden soll, ist es vorgesehen, dass die Sendefaser ein optisches Element für die Ablenkung der elektromagnetischen Strahlung umfasst, insbesondere ein Axicon, beispielsweise ein Doppel-Axicon oder ein Polygon, insbesondere umfassend eine Pyramide, und dass die Empfangsfasern vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen um die Strahlführungsachse der Sendefasern angeordnet sind. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass bei einer polygonartigen Ausbildung des optischen Elements entsprechend der Anzahl der Strahlungsebenen bzw. Richtungen, aus denen die elektromagnetische Strahlung abgelenkt wurde, die optische Einheit eine entsprechende Anzahl von Empfangsfasern aufweist. Die Wahl der Form des optischen Elements hängt vorzugsweise von der Anzahl der verwendeten Empfangsfasern ab, die der jeweiligen Sendefaser zugeordnet sind, um die durch Anregungsstrahlung aus dieser Sendefaser veranlasste Fluoreszenzstrahlung von dem Objekt aufzunehmen. Wenn beispielsweise vier oder sechs Empfangsfasern einer Sendefaser zugeordnet und insbesondere um diese Sendefaser angeordnet sind, kann das optische Element vorzugsweise eine Pyramide mit quadratischer bzw. hexagonaler Grundfläche ausgebildet sein und somit vier bzw. sechs Seitenflächen aufweisen.Preferably, depending on how many receiving fibers are available or with how many receiving fibers the electromagnetic radiation emitted by the transmitting fiber and reflected by the object is to be detected, it is provided that the transmitting fiber comprises an optical element for deflecting the electromagnetic radiation, in particular an axicon, for example a double axicon or a polygon, in particular comprising a pyramid, and that the receiving fibers are preferably arranged at equal angular intervals around the beam guidance axis of the transmitting fibers. In other words, this means that with a polygonal design of the optical element, the optical unit has a corresponding number of receiving fibers corresponding to the number of radiation planes or directions from which the electromagnetic radiation was deflected. The choice of the shape of the optical element preferably depends The number of receiving fibers used depends on the number of receiving fibers assigned to the respective transmitting fiber in order to receive the fluorescence radiation from the object caused by excitation radiation from this transmitting fiber. For example, if four or six receiving fibers are assigned to a transmitting fiber and, in particular, arranged around this transmitting fiber, the optical element can preferably be a pyramid with a square or hexagonal base and thus have four or six side surfaces.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Sendefaser an einem Ende ein Substrat, auf welchem das optische Element angeordnet ist. Insbesondere kann das optische Element teilweise oder vollständig in das Substrat aufgenommen sein. Insbesondere kann das optische Element derart in das Substrat aufgenommen sein, dass eine Grundfläche des optischen Elements bündig mit einer Außenseite des Substrats abschließt und somit die Grundfläche einen Teil der Außenseite bildet, insbesondere einer der Sendefaser abgewandten Außenseite des Substrats. Bei dem Ende der Sendefaser handelt es sich insbesondere um das Ende, aus welchem die abgestrahlte elektromagnetische Strahlung austreten soll. Das Substrat kann Kunststoff umfassen oder aus Kunststoff bestehen. Beispielsweise handelt es sich bei dem Kunststoff um ein Polymer. Das Substrat kann als Polymerschicht ausgebildet sein. Das Substrat hat vorzugsweise denselben Brechungsindex wie ein Kernmaterial in der Sendefaser, sodass aus der Sendefaser in das Substrat übertretendes Licht vorteilhafterweise nicht gebrochen wird.According to an advantageous embodiment, the transmission fiber comprises a substrate at one end, on which the optical element is arranged. In particular, the optical element can be partially or completely accommodated in the substrate. In particular, the optical element can be accommodated in the substrate in such a way that a base surface of the optical element is flush with an outer side of the substrate and thus the base surface forms part of the outer side, in particular an outer side of the substrate facing away from the transmission fiber. The end of the transmission fiber is in particular the end from which the emitted electromagnetic radiation is intended to emerge. The substrate can comprise plastic or be made of plastic. For example, the plastic is a polymer. The substrate can be formed as a polymer layer. The substrate preferably has the same refractive index as a core material in the transmission fiber, so that light passing from the transmission fiber into the substrate is advantageously not refracted.
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags kann es vorgesehen sein, dass die Sendefaser, insbesondere das optische Element, insbesondere am Ende der Sendefaser zusätzlich eine Linse umfasst.In a further development of the last proposal, it can be provided that the transmitting fiber, in particular the optical element, additionally comprises a lens, in particular at the end of the transmitting fiber.
In besonders bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung einer derartigen optischen Einheit ist es vorgesehen, dass mehrere, vorzugsweise identisch ausgebildete Sendefasern mit identisch ausgebildeten optischen Elementen vorgesehen sind, dass die optischen Elemente der Sendefasern in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind bzw. ein regelmäßiges Muster ausbilden, und dass in den Bereichen zwischen den Sendefasern die Empfangsfasern angeordnet sind. Eine derartige Anordnung und Ausbildung der optischen Einheit ermöglicht im Zusammenhang mit entsprechend geringen Durchmessern der Sende- und Empfangsfasern eine sehr hohe Auflösung der von dem zu untersuchenden Objekt abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung bzw. des abgestrahlten Lichts. Beispielsweise ist zwischen jeweils einer ersten Sendefaser und jeweils denjenigen Sendefasern, die der ersten Sendefaser am nächsten angeordnet sind, genau eine Empfangsfaser angeordnet.In a particularly preferred design embodiment of such an optical unit, it is provided that several, preferably identically designed transmitting fibers with identically designed optical elements are provided, that the optical elements of the transmitting fibers are arranged at regular intervals from one another or form a regular pattern, and that the receiving fibers are arranged in the regions between the transmitting fibers. Such an arrangement and design of the optical unit, in conjunction with correspondingly small diameters of the transmitting and receiving fibers, enables a very high resolution of the electromagnetic radiation emitted by the object to be examined or of the emitted light. For example, exactly one receiving fiber is arranged between each first transmitting fiber and each of the transmitting fibers arranged closest to the first transmitting fiber.
Insbesondere für den Fall, dass ein bestimmter Bereich des Objekts von elektromagnetischer Strahlung zweier Sendefasern gleichzeitig belichtet wird, ist es üblicherweise schwierig, mittels der Empfangsfasern festzustellen, von welcher Sendefaser der entsprechende Anteil des ausgesendeten Lichts des Objekts hervorgerufen wird. In einer Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es daher vorgesehen, dass mittels einer Empfangsfaser die Strahlung zweier benachbarter Sendefasern detektierbar ist, und dass eine Ansteuereinrichtung vorgesehen ist, die die beiden benachbarten Sendefasern zeitlich voneinander getrennt ansteuert. Unter einem zeitlich voneinander getrennten Ansteuern wird verstanden, dass zunächst das zu untersuchende Objekt von einer ersten Sendefaser bestrahlt bzw. angeleuchtet wird, und anschließend, nachdem die Bestrahlung durch die erste Sendefaser gestoppt wurde, das Objekt mittels der zweiten Sendefaser beleuchtet bzw. bestrahlt wird. Aufgrund dieser zeitlichen Reihenfolge der Bestrahlung können somit die von der einen Empfangsfaser erfassten Strahlungen bzw. das empfangene Licht den entsprechenden Sendefasern zugeordnet werden.Particularly in the case where a specific area of the object is simultaneously illuminated by electromagnetic radiation from two transmitting fibers, it is usually difficult to determine, using the receiving fibers, which transmitting fiber is responsible for the corresponding portion of the object's emitted light. A further development of the last proposal therefore provides for the radiation from two adjacent transmitting fibers to be detected using a receiving fiber, and for a control device to be provided that controls the two adjacent transmitting fibers separately from one another in time. Temporarily separated control means that the object to be examined is first irradiated or illuminated by a first transmitting fiber, and then, after the irradiation by the first transmitting fiber has been stopped, the object is illuminated or irradiated by the second transmitting fiber. Based on this temporal sequence of irradiation, the radiation detected by one receiving fiber or the received light can be assigned to the corresponding transmitting fibers.
In einer weiteren bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der optischen Einheit ist es vorgesehen, dass die Sende- und Empfangsfasern, insbesondere im Austritts- und Eintrittsbereich, das heißt auf der dem Objekt zugewandten Seite, mit einem gemeinsamen Substrat, insbesondere einer gemeinsamen Polymerschicht versehen sind. Bei dem Substrat kann es sich insbesondere um das oben beschriebene Substrat handeln. Dies ermöglicht auf besonders einfache Art und Weise eine Ausrichtung der optischen Einheit zu dem zu untersuchenden Objekt bzw. sorgt dafür, dass die Sende- und Empfangsfasern stets in einer (starren) Konfiguration zueinander angeordnet sind.In a further preferred design of the optical unit, the transmitting and receiving fibers, particularly in the exit and entry areas, i.e., on the side facing the object, are provided with a common substrate, particularly a common polymer layer. The substrate can, in particular, be the substrate described above. This enables particularly simple alignment of the optical unit with the object to be examined and ensures that the transmitting and receiving fibers are always arranged in a (rigid) configuration relative to one another.
Bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Empfangsfasern an einem Eintrittsbereich (d.h. auf der dem Objekt zugewandten Seite) jeweils ein weiteres optisches Element in Form einer optischen Linse, insbesondere eine Sammellinse, aufweisen. Die zusätzliche Linse unterscheidet sich von der optischen Linse an der Sendefaser bei Bedarf durch einen unterschiedlichen Brechungsindex bzw. ermöglicht es, die von dem Objekt ausgestrahlte Strahlung zu sammeln.It is further preferred if the receiving fibers each have an additional optical element in the form of an optical lens, in particular a converging lens, at an entry area (i.e., on the side facing the object). The additional lens differs from the optical lens on the transmitting fiber, if necessary, by having a different refractive index or by enabling the radiation emitted by the object to be collected.
Eine weitere bevorzugte konstruktive Ausbildung sieht vor, dass ein Kernmaterial der Sende- und Empfangsfasern im Austritts- und Eintrittsbereich der Sende- und Empfangsfasern ein monolithisches Element ausbildet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass ein Kernmaterial der Sende- und Empfangsfasern im Austritts- und Eintrittsbereich der Sende- und Empfangsfasern mit einem gemeinsamen, Kunststoff umfassenden oder aus Kunststoff bestehenden Substrat, insbesondere einer Polymerschicht, versehen ist. Bei diesem Substrat kann es sich insbesondere um das oben beschriebene Substrat handeln. Das optische Element kann, wie oben ausgeführt, vorzugsweise zumindest teilweise oder vollständig in dem Substrat aufgenommen sein. Dadurch wird in besonders einfacher Art und Weise die oben beschriebene bzw. beanspruchte starre bzw. ortsfeste Anordnung der Sende- und Empfangsfasern bewirkt.A further preferred design provides that a core material of the transmitting and receiving fibers forms a monolithic element in the exit and entry areas of the transmitting and receiving fibers. In particular, it is provided that a core material of the transmitting and receiving fibers The optical element is provided with a common substrate comprising or consisting of plastic, in particular a polymer layer, in the exit and entry regions of the transmitting and receiving fibers. This substrate can in particular be the substrate described above. The optical element can, as explained above, preferably be at least partially or completely accommodated in the substrate. This achieves the rigid or stationary arrangement of the transmitting and receiving fibers described or claimed above in a particularly simple manner.
Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung, insbesondere als Analyseeinrichtung zum Nachweis von Krankheitserregern, mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen optischen Einheit, wobei sich die Vorrichtung dadurch auszeichnet, dass eine als Laserstrahleinrichtung ausgebildete Einrichtung zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist.Furthermore, the invention also comprises a device for fluorescent light image display, in particular as an analysis device for detecting pathogens, with an optical unit according to the invention as described so far, wherein the device is characterized in that a device designed as a laser beam device is provided for generating the electromagnetic radiation.
Besonders bevorzugt ist es darüber hinaus zur Vermeidung von Reflektionen, wenn die Laserstrahleinrichtung als gepulste Laserstrahleinrichtung ausgebildet ist.Furthermore, in order to avoid reflections, it is particularly preferred if the laser beam device is designed as a pulsed laser beam device.
Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer insbesondere auf die beschriebene Art und Weise ausgebildeten optischen Einheit. Das Verfahren sieht vor, dass zunächst ein Bündel mit mehreren Sendefasern und Empfangsfasern erzeugt wird. Anschließend werden die Sendefasern und die Empfangsfasern an einem gemeinsamen stirnseitigen Endbereich mit einer Polymerschicht beschichtet. Danach werden insbesondere polygenartige Vertiefungen an den Sendefasern erzeugt. Es folgt ein Ausfüllen der Vertiefungen mit einem Füllmaterial zur Erzeugung der optischen Elemente. Zuletzt werden vorzugsweise optische Linsen auf der Polymerschicht und dem Füllmaterial bzw. den optischen Elementen erzeugt.Finally, the invention also encompasses a method for producing an optical unit designed, in particular, in the manner described. The method provides that a bundle comprising a plurality of transmitting fibers and receiving fibers is first produced. Subsequently, the transmitting fibers and the receiving fibers are coated with a polymer layer at a common end region. Polygene-like depressions are then created on the transmitting fibers. The depressions are then filled with a filler material to produce the optical elements. Finally, optical lenses are preferably produced on the polymer layer and the filler material or the optical elements.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention and from the drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Fluoreszenzlichtbilddarstellung mit den wesentlichen Elementen,1 shows a schematic representation of a device for fluorescent light image display with the essential elements, -
2 einen Teil einer optischen Einheit der Vorrichtung gemäß der1 in einer vereinfachten Seitenansicht,2 a part of an optical unit of the device according to1 in a simplified side view, -
3 einen Querschnitt im Bereich der Austritts- bzw. Eintrittsbereiche von optischen Fasern der optischen Einheit der Vorrichtung gemäß1 ,3 a cross-section in the region of the exit and entry areas of optical fibers of the optical unit of the device according to1 , -
4 eine perspektivische Seitenansicht der Strahlung bei Verwendung einer in Form eines Doppel-Axicons ausgebildeten Linse,4 a perspective side view of the radiation when using a lens in the form of a double axicon, -
5 einen von dem Doppel-Axicon gemäß der4 erzeugten Beleuchtungsbereich auf einem Objekt in Draufsicht,5 one of the double axicon according to the4 generated lighting area on an object in plan view, -
6 einen Ausschnitt einer optischen Einheit der Vorrichtung der1 in vergrößerter Darstellung,6 a section of an optical unit of the device of1 in enlarged view, -
7 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung wesentlicher Schritte des Herstellprozesses der optischen Einheit und7 a flow chart explaining essential steps of the optical unit manufacturing process and -
8 bis10 jeweils vereinfachte perspektive Darstellungen verschiedener Prozessschritte bei der Fertigung der optischen Einheit.8 until10 Simplified perspective representations of various process steps in the production of the optical unit.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.Identical elements or elements with the same function are provided with the same reference numbers in the figures.
In der
Die Vorrichtung 100 umfasst eine optische Einheit 10, die eine Vielzahl bzw. mehrere optische Sendefasern 12 sowie optische Empfangsfasern 14 umfasst. Die optischen Sendefasern 12 dienen der Leitung bzw. Durchführung elektromagnetischer Strahlung S, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels einer Laserstrahleinrichtung 20, die als gepulste Laserstrahleinrichtung 20 ausgebildet ist, erzeugt wird. Auf der dem Objekt O zugewandten Austrittsseite der optischen Sendefasern 12 weisen diese jeweils eine optische Linse 22 (
Die optischen Empfangsfasern 14 dienen dazu, die von dem Objekt O ausgestrahlte elektromagnetische Strahlung S zu empfangen und unter Zwischenschaltung einer lediglich angedeuteten elektronischen Schaltung 25 beispielsweise einer Kamera 27 zuzuführen. Die optischen Empfangsfasern 14 weisen an der dem Objekt O zugewandten Empfangsseite jeweils eine weitere bzw. zusätzliche optische Linse 28 (
In der
In der Polymerschicht 35 ist fluchtend zu der jeweiligen Sendefaser 12 auf der der Sendefaser 12 abgewandten Seite eine Vertiefung 37 ausgebildet. Die Vertiefung 37 ist, wie später noch näher erläutert, polygonförmig, insbesondere pyramidenförmig ausgebildet. Die Vertiefung 37 ist zumindest teilweise, im dargestellten Ausführungsbeispiel vollständig, mit einem Füllmaterial ausgefüllt, das einen anderen bzw. größeren Brechungsindex aufweist als die Polymerschicht 35, wobei das Füllmaterial ein optisches Element 33 zur Ablenkung bzw. Streuung der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung S ausbildet. Anders formuliert ist das optische Element 33 in der Vertiefung 37 des Substrats 35, also der Polymerschicht 35, aufgenommen, so dass die Grundfläche des optischen Elements 33 bündig mit der von der Sendefaser 12 abgewandten Substratseite abschließt. Weiterhin kann der Brechungsindex des optischen Elements 33 und der optischen Linse 22 sowie der weiteren bzw. zusätzlichen optischen Linse 28 gleich sein. Die beiden Linsen 22, 28 sind auf der der Sendefaser 12 und der Empfangsfaser 14 abgewandten Stirnfläche der Polymerschicht 35 bzw. auf dem optischen Element 33 ausgebildet. Sie bestehen aus einem Fotolackmaterial. Mittels der Trägereinheit 36 kann die optische Einheit 10 zu dem Objekt O ausgerichtet werden.A recess 37 is formed in the polymer layer 35, aligned with the respective transmission fiber 12, on the side facing away from the transmission fiber 12. The recess 37 is, as explained in more detail later, polygonal, in particular pyramid-shaped. The recess 37 is at least partially, in the illustrated embodiment completely, filled with a filler material that has a different or greater refractive index than the polymer layer 35, wherein the filler material forms an optical element 33 for deflecting or scattering the emitted electromagnetic radiation S. In other words, the optical element 33 is received in the recess 37 of the substrate 35, i.e., the polymer layer 35, such that the base area of the optical element 33 is flush with the substrate side facing away from the transmission fiber 12. Furthermore, the refractive index of the optical element 33 and the optical lens 22 as well as the further or additional optical lens 28 can be the same. The two lenses 22, 28 are formed on the end face of the polymer layer 35 facing away from the transmitting fiber 12 and the receiving fiber 14, respectively, and on the optical element 33. They are made of a photoresist material. The optical unit 10 can be aligned with the object O using the carrier unit 36.
Die optischen Sendefasern 12 mit den optischen Linsen 22 sowie die optischen Empfangsfasern 14 mit den weiteren optischen Linsen 28 sind jeweils für sich genommen identisch ausgebildet. Insbesondere sind die den Sendefasern 12 zugeordneten Vertiefungen 37 zur Ausbildung des optischen Elements 33 entweder in Form eines Axicons oder polygonartig ausgebildet. Vorzugsweise sind die Vertiefungen 37 polygonartig, insbesondere pyramidenförmig oder hexagonalförmig ausgebildet.The optical transmission fibers 12 with the optical lenses 22, as well as the optical reception fibers 14 with the additional optical lenses 28, are each individually identical in design. In particular, the recesses 37 associated with the transmission fibers 12 for forming the optical element 33 are either axicon-shaped or polygonal. The recesses 37 are preferably polygonal, in particular pyramid-shaped or hexagonal.
Entsprechend der Darstellung der
Die seitlich neben der optischen Sendefaser 12 angeordneten optischen Empfangsfasern 14 sind mit ihren Lichteinfallsachsen derart zu dem Objekt O ausgerichtet, dass diese senkrecht oberhalb zu der Auftreffstelle A der Strahlung S verlaufen. Die weiteren optischen Linsen 28 dienen in Art von Sammellinsen dazu, möglichst viel der von dem Objekt O ausgesendeten Strahlung S zu erfassen.The optical receiving fibers 14 arranged laterally next to the optical transmission fiber 12 are aligned with their light incidence axes towards the object O in such a way that they run perpendicularly above the point of incidence A of the radiation S. The further optical lenses 28 serve as converging lenses to capture as much of the radiation S emitted by the object O as possible.
In der
Bei einer Ausbildung der Sendefasern 12 als Doppel-Axicon entsprechend der Darstellung der
In der
Wesentliche Fertigungs- bzw. Prozessschritte zur Herstellung einer optischen Einheit 10 werden nachfolgend anhand des Ablaufdiagramms entsprechend der
Die soweit beschriebene optische Einheit 10 bzw. Vorrichtung 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So kann die optische Einheit 10 mit den Sendefasern 12 und Empfangsfasern 14 auch linearförmig ausgebildet sein, um ein zeilenartiges Scannen des Objekts O zu realisieren.The optical unit 10 or device 100 described so far can be modified in a variety of ways without deviating from the inventive concept. Thus, the optical unit 10 with the transmitting fibers 12 and receiving fibers 14 can also be designed in a linear shape to realize a line-like scanning of the object O.
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