DE102023136560B4

DE102023136560B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation der Phasenstörung mehrerer Wellenlängen von Bildwellenleitern

Info

Publication number: DE102023136560B4
Application number: DE102023136560.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Kuschmierz; Jürgen Czarske; Elias Scharf; Jakob Dremel
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2023-12-22
Filing date: 2023-12-22
Publication date: 2025-07-03
Anticipated expiration: 2043-12-23
Also published as: US20250208411A1; DE102023136560A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Kompensation der Phasenstörung mehrerer Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter und/oder zur Implementation von Funktionen, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändern, wobei diese Funktionen beispielsweise als Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung auf einen Brennpunkt, Implementation einer Donut-Mode und/oder Kippung der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischer Strahlung ausgebildet sein kann

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der Phasenstörung mehrerer Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter und/oder zur Implementation von Funktionen, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändern. Das Verfahren kann eine Längenveränderung von Wellenleitern an einem Ende der Anordnung und/oder am anderen Ende der Anordnung umfassen, so dass das Ende eine Phasenmaske ausbildet und/oder das Bereitstellen und Hinzufügen eines Elements, welches eine Phasenmaske aufweist. Das Element ist entweder ein statisches Element, dessen Bereitstellung durch eine Veränderung seiner Oberflächenbeschaffung erfolgt, oder ein adaptives Element, dessen Bereitstellung durch die Änderung von physikalischen Größen, wie Spannungen, Stromstärken, Temperaturen oder Pulsweiten erfolgt, so dass es eine Phasenmaske ausbildet. Mögliche Verwendungsbereiche des Verfahrens und der Vorrichtung sind unter anderem, jedoch nicht ausschließlich, die Mikroskopie, die STED-Mikroskopie, die konfokalen Fluoreszenzmikroskopie, die konfokalen Bildgebung, die nichtlineare Bildgebung, die konfokalen Autofluoreszenzmikroskopie, die optische Kohärenztomographie, die Spektroskopie, die multispektrale Bildgebung, die strukturierte Beleuchtung, die Optogenetik, die Laserablation, optische Fallen, und/oder in die Endoskopie, die multispektrale Endoskopie, und/oder die STED-Endoskopie.
Endoskope zur Bildgebung und Beleuchtung werden in der Medizintechnik zur minimalinvasiven Diagnostik in schwer zugänglichen Bereichen verwendet, weshalb es zweckmäßig ist, deren Durchmesser so gering wie möglich (die Zielgröße ist unter 0,5 mm) und deren mechanische Flexibilität so hoch wie möglich zu halten. Außerdem wird von ihnen ein hoher Kontrast, sowie eine hohe Ortsauflösung und Zuverlässigkeit gefordert, wie auch geeignete optische Bildgebungsmodalitäten und geringe Kosten.
Für Gewebeklassifikation in der Krebsdiagnostik, welche auf maschinellem Lernen basiert und für die Netzwerkanalyse in der Optogenetik ist multispektrale Bildgebung mit hoher raumzeitlicher Auflösung vonnöten.
Multispektrale Information erlaubt es Chirurgen, den Gesundheitszustand von Gewebe besser zu erkennen und zwischen verschiedenen Flüssigkeiten zu differenzieren.
Aus dem Stand der Technik sind Boroskop-Endoskope bekannt, welche auf Stab- und Gradienten-Index-Linsen (GRIN-Linsen - solche, deren Brechungsindex sich in Funktion des Abstandes vom Mittelpunkt der Linse ändert) basieren und zweidimensionale Abbildungen der Intensität elektromagnetischer Strahlung vom distalen Ende (der Anwendungsseite) zum proximalen Ende (der Instrumentenseite) liefern. Solche Endoskope weisen funktionsbedingt starre Lichtwellenleiteranordnungen mit Durchmessern von über 1 mm auf. Dadurch werden Anwendungen wie beispielsweise in der Neurochirurgie ausgeschlossen.
Außerdem schließt der Stand der Technik Kamera-Endoskope ein. Diese weisen eine hohe Flexibilität auf, da sich die Kamera und eine Beleuchtungseinheit am distalen Ende befinden und nur elektrische Signale zum proximalen Ende übertragen werden müssen. Der minimale Endoskopdurchmesser überträgt dabei 2 mm. Kamera-Endoskope erlauben ebenfalls zweidimensionale Bildgebung und keine flexible Beleuchtung. Dreidimensionale Bildgebung wird durch Stereokamerasysteme ermöglicht, erfordert aber einen höheren Endoskopdurchmesser von etwa 10 mm. Des Weiteren kann die elektromagnetische Verträglichkeit von Kamera-Endoskopen mangelhaft sein.
Bei der nichtlinearen Endomikroskopie kommen in der Regel Monomode-Lichtwellenleiter zum Einsatz. Monomode-Lichtwellenleiter weisen nur einen örtlichen Übertragungskanal auf, weshalb sie am distalen Ende komplexe 2D/3D Scanoptiken benötigen. Dadurch ist der Minimaldurchmesser auf mehrere Millimeter begrenzt. Die Scanoptiken haben hinsichtlich Bildfelddurchmesser und Wellenlänge einen beschränkten Anwendungsbereich und sind mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Konventionelle Endoskope weisen kohärente Bündel optischer Fasern - auch bekannt unter dem Begriff coherent fiber bundles (CFB) - auf, welche etwa 10.000 bis 100.000 Faserkerne enthalten. Ein geordnetes Faserbündel wird als „kohärent“ bezeichnet, wenn die Positionsbeziehung zwischen jeweils zwei Fasern des Bündels über die gesamte Länge des Bündels erhalten bleibt. Solche Endoskope erlauben eine ungestörte Übertragung der zweidimensionalen Intensitätsverteilung in der Ebene der distalen Faserendfläche. Ebenen des Inspektionsgebiets können durch Integration starrer, makroskopischer Abbildungsoptiken auf die distale Faserendfläche abgebildet werden. Die relative örtliche Auflösung wird durch die Anzahl der Faserkerne bestimmt. Distale Abbildungsoptiken können die absolute örtliche Auflösung erhöhen, reduzieren aber den Bildfelddurchmesser. Der minimale Endoskopdurchmesser ist durch die notwendigen distalen Abbildungsoptiken auf den Millimeterbereich begrenzt.
CFB-Endoskope ohne komplexe Abbildungsoptiken im distalen Messkopf würden einen Endoskopdurchmesser von unter 500 µm ermöglichen, da diese nur noch durch den Faserdurchmesser begrenzt wären. Trifft eine ebenen Welle elektromagnetischer Strahlung auf ein Ende eines CFB, kann die Phase der Strahlung bei Austritt aus jeder Faser am anderen Ende des CFB eine unterschiedliche Phase aufweisen. Dies liegt an der Streuung der Materialparameter, wie beispielsweise des Brechungsindex einzelner Faserkerne. Brechungsindizes sind in der Regel wellenlängenabhängig. Die Phasendifferenz zwischen der Strahlung, die aus einer Faser am anderen Ende des CFB austritt und der über alle Fasern gemittelten Phase der austretenden Strahlung wird Phasenstörung genannt. Jedes CFB kann eine unterschiedliche Phasenstörung aufweisen, weshalb die Phase der elektromagnetischen Strahlung nicht ermittelt werden kann. Somit sind nur zweidimensionale Aufnahmen mit fester Bildebene möglich. Für eine dreidimensionale Bildgebung mit hoher Auflösung wird am häufigsten der Ansatz untersucht, die Phasenstörung des CFB zu messen und durch eine digitale optische Phasenkonjugation mittels programmierbarer, digitaler, optischer Flächenlichtmodulatoren - auch bekannt unter dem Begriff spatial light modulators (SLM) - zu kompensieren. Flächenlichtmodulatoren sind adaptive Elemente, die die Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung erlauben. Beispielsweise können sie Anordnungen separat ansteuerbarer, absenkbarer, anhebbarer und/oder kippbarer Mikrospiegel umfassen. Flächenlichtmodulatoren können auch als Flüssigkristalle auf einem Siliziumsubstrat - auch bekannt unter dem Begriff liquid crystal on silicon (LCoS) - ausgebildet sein. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einzelne Kristalle eines LCoS kann deren Brechungsindex geändert werden. LCoS können ausgelegt sein, elektromagnetische Strahlung zu transmittieren und/oder zu reflektieren.
Die Druckschrift WO 2005 / 065 246 A2 offenbart eine Beleuchtungsanlage, welche Multimode-Lichtwellenleiterbündel und einen Modulator umfasst, wobei der Modulator die Lichtwellenleiter strecken kann, um die räumliche Kohärenz von Laserstrahlung zu reduzieren und somit eine uniforme Beleuchtung zu ermöglichen, die frei von Lichtgranulation ist. Der Modulator kann ein piezoelektrischer Modulator sein. Die Vorrichtung ist nachteilig jedoch nicht dazu geeignet, eine Phasenstörung von Bildwellenleitern gleichzeitig in mehreren Wellenlängen zu kompensieren. Nachteilig weisen Multimode-Wellenleiter im Vergleich zu Monomode-Wellenleiter modales Übersprechen auf.
Die US 10 520 594 B2 beschreibt ein Verfahren und ein System, welche es ermöglichen, die Phasenstörung eines Lichtwellenleiterbündels für jeweils eine Wellenlänge zu kompensieren, indem die beobachtete Phasenstörung von Licht, welches von einem virtuellen Leitstern am distalen Ende des Lichtwellenleiterbündels ausgesendet wird, am proximalen Ende detektiert wird und Licht einer Beleuchtungsquelle mittels eines Flächenlichtmodulators mit der Inversen der beobachteten Phasenstörung beaufschlagt wird, bevor es in das Lichtwellenleiterbündel gelangt und am distalen Ende ohne Phasenstörung heraustritt. Es besteht mit dem beschriebenen Verfahren und System jedoch nachteilig nicht die Möglichkeit, die Phasenstörung für mehrere Wellenlängen gleichzeitig zu reduzieren.
In der Druckschrift EP 3 992 680 A1 wird ein Verfahren und eine Anordnung beschrieben, welche eine adaptierte Beleuchtung eines Objekts mit Licht ermöglichen. Dabei wird durch formschlüssiges, additives oder subtraktives Anordnen eines flexiblen Bündels optischer Fasern eine Phasenmaske auf mindestens einem der Faserenden des Faserbündels hervorgerufen, welche die Übertragungsstörungen korrigiert, so dass eine kohärentes Phasenanordnung zur Abbildung des Objekts zur Verfügung steht. Das Verfahren und die Anordnung erlauben es, mittels eines flexiblen Bündels optischer Fasern ohne Integration einer Abbildungsoptik dreidimensionale Informationen über ein Objekt zu gewinnen. Der Nachteil des Verfahrens und der Anordnung ist, dass die adaptierte Beleuchtung nicht mit mehreren Wellenlängen gleichzeitig möglich ist.
Die Druckschrift WO 2013 / 144 898 A2 betrifft Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildgebung mit optischen Multimode-Lichtwellenleitern, welche auf einem System zur Wellenfrontformung beruhen, welches das modale Scrambling und die Lichtdispersion durch den Multimode-Lichtwellenleiter kompensiert. Nach der Kalibrierung des Multimode-Lichtwellenleiters wird ein bestimmtes Muster auf das proximale Ende des Wellenleiters projiziert, um das gewünschte Beleuchtungsmuster am distalen Ende zu erzeugen. Das Beleuchtungsmuster kann nur durch Änderung des am proximalen Ende des Wellenleiters projizierten Phasenmusters abgetastet oder dynamisch verändert werden. Die von einer Probe erzeugten optischen Informationen werden durch denselben Wellenleiter gesammelt, um ein Bild zu erzeugen. Nachteilig an dem Verfahren und der Vorrichtung ist, dass sie nicht für Monomode-Wellenleiter und auch nicht zur gleichzeitigen Bildgebung in mehreren Wellenlängen geeignet sind.
In der WO 2014 / 152 474 A2 wird ein System und ein Verfahren zur Bildgebung von Gewebe und Bildführung in luminalen anatomischen Strukturen und Körperhöhlen beschrieben. Ausführungsformen betreffen Lichtwellenleiter, die an einem Ende eine additiv oder subtraktiv gefertigte fokussierende optische Linse aufweisen, insbesondere eine GRIN-Linse, eine refraktive Mikrolinse oder eine diffraktive Linse. Nachteilig wird am distalen Ende des Systems eine Linse benötigt, welche dessen Durchmesser vergrößert. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass nur Intensitätsinformation, aber keine Phaseninformation und somit keine Tiefeninformation übertragen wird.
US 2018 / 0 263 470 A1 offenbart ein Endoskop und eine Bildgebungseinheit, wobei das Endoskop in Ausführungsformen am proximalen Ende eines Glasfaserkabels eine konvexe Form aufweist, um Licht an einem Sensor zu bündeln und die konvexe Form durch ein additives oder ein subtraktives Verfahren erstellt werden kann. Nachteilig ist dabei, dass es nicht vorgesehen ist, Bildgebungen in mehr als einer Wellenlänge, bzw. einem Wellenlängenband zu ermöglichen und auch nicht die Phasenstörung zu kompensieren.
In der Druckschrift CN 1 09 445 089 A wird ein Gerät zur dreidimensionalen Bildgebung mittels optischer Multimode-Lichtwellenleiter offenbart, sowie ein Verfahren zur Hochgeschwindigkeits-Wellenfrontmodulation, umfassend die Aufteilung eines von einem Laser emittierten Laserstrahls in Objektlicht und Referenzlicht, die Durchführung einer Phasenmodulation des Objektlichts unter Verwendung einer digitalen Mikrospiegelanordnung und Einkoppeln des modulierten Objektlichts in einen Multimode-Lichtwellenleiter, Aufzeichnung eines Musters, welches durch die Interferenz von Objektlicht mit dem Referenzlicht entsteht, Berechnung einer Transmissionsmatrix gemäß dem von der Kamera aufgezeichneten Interferenzmuster, Laden eines Hologramms auf eine digitale Mikrospiegelanordnung unter Verwendung einer Transmissionsmatrix zur Modulation des einfallenden Lichts, Einkopplung des einfallenden Lichts in einen Multimode-Lichtwellenleiter und Erzeugen eines fokussierenden Lichtpunkts oder eine dreidimensionale Punktabtastung an einem Ausgangsende des Multimode-Lichtwellenleiters, Empfangen von Lichtintensitätsinformationen von reflektiertem Probenlicht oder Probenfluoreszenz durch einen photoelektrischen Detektor, Rekombination der Lichtintensitätsinformationen gemäß einer festgelegten Abtastsequenz, um ein Bild zu erhalten und Synthese in einer dreidimensionalen Richtung, um ein dreidimensionales hochauflösendes Bild der Probe zu erhalten. Ein Nachteil ist, dass die Phasenstörung nicht in mehreren Wellenlängen gleichzeitig kompensiert werden kann.
In der Druckschrift US 2022 / 0 248 938 A1 werden ein optisches System und ein Bildgebungsverfahren offenbart. Das optische System weist dabei einen aus mehreren optischen Fasern bestehenden Multifaserleiter und einen optischen Diffusor auf, der es erlaubt, ein Intensitätsmuster auf den Multifaserleiter abzubilden. Das Intensitätsmuster repräsentiert Phaseninformationen von Licht, welches von mindestens einem dreidimensionalen Objekt ausgesendet wird. Der Wellenleiter ist dazu eingerichtet, das Intensitätsmusters in Form einer Vielzahl von Bildpunkten zu einem Auswertesystem zu übertragen. Dabei ist das Auswertesystem eingerichtet, ein Bild des Objektes zu erzeugen, wobei die Erzeugung auf dem mittels des Wellenleiters übertragenen Intensitätsmuster basiert. Nachteilig ist, die komplexwertige Übertragungsfunktion des Systems nicht definiert werden kann und die 3D-Bildgebung ausschließlich aus Intensitätsinformation gewonnen werden muss.
Die Druckschrift US 2022 / 0 019 024 A1 beschreibt eine Empfangsvorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln von Übertragungseigenschaften eines optischen Wellenleiters. Die Empfangsvorrichtung weist eine Wellenleiter-Schnittstelle zum Empfangen eines vermischten Lichtstrahls mit einer Vielzahl von Moden und eines vermischten verschobenen Lichtstrahls von einem optischen Multimode-Lichtwellenleiter auf. Der vermischte und der vermischte verschobene Lichtstrahl weisen für jede Mode eine zugeordnete verschobene Phase auf. Die Empfangsvorrichtung weist auch mindestens einen Prozessor zum Ermitteln von Modeninformationen für den vermischten Lichtstrahl und von verschobenen Modeninformationen für den vermischten verschobenen Lichtstrahl auf, wobei ein trainiertes neuronales Netzwerk verwendet wird. Ein weiterer Zweck des Prozessors ist die Ermittlung, für jede Mode, der jeweils zugeordneten Phase unter Verwendung der zugeordneten Phaseninformationen des Lichtstrahls und der zugeordneten verschobenen Phaseninformationen des verschobenen Lichtstrahls. Nachteilig ist, dass die Vorrichtung und das Verfahren nicht zur gleichzeitigen Korrektur der Phasenstörung bei mehreren Wellenlängen und auch nicht für Monomode-Wellenleiter geeignet sind.
Die Druckschrift DE 10 2014 119 027 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Multispot-Scan-Mikroskopie, bei der eine Probe mit Anregungslicht abgetastet wird und abgestrahltes Detektionslicht, insbesondere Fluoreszenzlicht detektiert wird. Im Beleuchtungsstrahlengang, in dem das Anregungslicht kollimiert ist, trennen ein oder mehrere als Dammann-Gitter ausgebildete Phasenelemente das Anregungslichts in eine Mehrzahl von Anregungslichtbündeln auf. Die Phasen des Anregungslicht mit mehreren Wellenlängen können jeweils mit separaten für die jeweilige Wellenlänge optimierten Phasenelementen korrigiert werden. Ein Gesichtspunkt dieses Verfahrens ist, dass die Mehrfachspots der einzelnen Wellenlängen wieder zu einem gemeinsamen Strahlengang zusammengeführt werden. Zweckmäßig sind bei diesen Varianten außerdem Mittel, beispielsweise dielektrische Strahlteiler, zum Auftrennen des Anregungslichts in die Anteile der einzelnen verwendeten Wellenlängen vorhanden. Nachteilig eignet sich die Vorrichtung nicht zur Phasenkorrektur von mit Bildwellenleitern übertragenem Licht.
In der Druckschrift DE 10 2014 119 255 A1 wird ein Verfahren zur lichtblattmikroskopischen Untersuchung einer Probe beschrieben. Dabei wird für eine mittlere Wellenlänge eine Modulationstiefe eines phasenselektiven Elements auf π festgelegt. Dem phasenselektiven Element wird eine vorgegebene Phasenverteilung und einer Blende eine vorgegebene Blendenstruktur aufgeprägt. Somit wird ermöglicht, die Probe mit einem aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzten Lichtblatt zu beleuchten. Das elektrische Feld des Lichtblatt wird bestimmt, woraus eine Phasenverteilung berechnet wird. Das phasenselektive Element wird mit Beleuchtungslicht beleuchtet und strukturiert dieses, woraufhin es in eine Blendenebene abgebildet wird. Die nullten Ordnungen des strukturierten Lichtes mehrerer Wellenlängen werden ausgeblendet, wodurch ein strukturiertes Lichtblatt entsteht, wobei die Lichtblattebene vertikal zu einer Brennebene eines Beleuchtungsobjektivs liegt. Die Probe wird mit dem strukturierten Lichtblatt beleuchtet und das von ihr abgestrahlte Licht wird detektiert. Nachteilig eignet sich das in dieser Druckschrift offenbarte dieses Phasenkorrekturverfahren nicht zur Kompensation der Phasenstörung von aus mehreren Lichtwellenleitern bestehende Bildwellenleiter.
Aus dem Stand der Technik ergeben sich Möglichkeiten, die Phasenstörung von Wellenleiter-Anordnungen für einzelne Wellenlängen zu kompensieren, oder zeitlich sequenziell für mehrere Wellenlängen. Letzteres kann beispielsweise mit einem Flächenlichtmodulator durchgeführt werden. Dadurch ist nachteilig jedoch keine hohe zeitliche Auflösung möglich. Der Stand der Technik ermöglicht es nicht, die Phasenstörung simultan für mehrere Wellenlängen zu kompensieren. Außerdem ist aus dem Stand der Technik nicht ersichtlich, wie Funktionen implementiert werden können, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung für mehrere Wellenlängen auf qualitativ unterschiedlicher Weise ändern.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es erlauben, die Phasenstörung einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter für mehrere Wellenlängen gleichzeitig zu kompensieren und/oder Funktionen zu implementieren, die die Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Funktionen dieser Art zu implementieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 20 gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter j und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, umfassend die Schritte

a) Bereitstellen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter j, wobei die Anordnung mindestens zwei elektromagnetische Wellenleiter j umfasst,
b) Modulieren der einen funktionalen Zusammenhang mit einer Referenzweglänge aufweisenden elektromagnetischen Phasenstörung φ_ist eines oder mehrerer ausgewählter Wellenleiter j der Anordnung, für jede der Wellenlängen, umfassend die Teilschritte
1. i) Vermessung der elektromagnetischen Phasenstörung φ_ist für jede der Wellenlängen an jedem der Wellenleiter j,
2. ii) Bestimmung einer gewünschten modulierten Phase φ_soll für jeden der ausgewählten Wellenleiter j und für jede der Wellenlängen, wobei die gewünschte modulierte Phase φ_soll für jede der Wellenlängen unabhängig oder abhängig von φ_soll für eine oder mehrere der anderen Wellenlängen bestimmt wird
3. iii) Ermittlung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen einer Stellgröße x_j und einer Phasenänderung φ_stell für jede der Wellenlängen und jeden der Wellenleiter j
4. iv) Definition einer Fehlerfunktion f zur Beschreibung der Gesamtabweichung zwischen einer resultierenden Phase φ_res = (φ_ist + φ_stell)mod(2π) und der gewünschten modulierten Phase φs_oll über alle Wellenlängen für jeden der Wellenleiter j,
5. v) Ermittlung des Wertes x_{j_fmin} der Stellgröße x_j bei der die Fehlerfunktion f einen minimalen Wert annimmt für jeden der Wellenleiter j.
6. vi)
  1. 1) Bereitstellen und Positionieren eines Elements zur Kompensation von Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, hinter einem ersten Ende und/oder hinter einem zweiten Ende der Anordnung, derart, dass das Element entlang der elektromagnetischen Ausbreitungsrichtung jedes der ausgewählten Wellenleiter den Wert x_{j_fmin} der Stellgröße x_j aufweist, und/oder
  2. 2) Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter zur Kompensation der Phasenstörung der ausgewählten Wellenleiter und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der Anordnung, derart, dass die Verkürzung und/oder die Verlängerung für jeden der ausgewählten Wellenleiter und jeder der Wellenlängen den Wert x_{j_fmin} der Stellgröße x_j aufweist,

_{res_fmin}

Die elektromagnetische Strahlung kann Infrarotstrahlung und/oder sichtbares Licht und/oder Ultraviolettstrahlung umfassen, ist jedoch nicht auf die genannten Bereiche des elektromagnetischen Spektrums beschränkt.
Die Phasenstörung φ_ist eines Wellenleiters der Anordnung mit Index j bei einer Wellenlänge λ, kann durch die Formel $φ_{i s t} (λ, j) = 2 π (\frac{Δ L (λ, j)}{λ} mod 1)$
beschrieben werden, wobei ΔL eine Abweichung einer elektromagnetischen Weglänge des Wellenleiters j bei der Wellenlänge λ von der gemittelten elektromagnetischen Weglänge bei der Wellenlänge λ aller Wellenleiter der Anordnung ist. Als elektromagnetische Weglänge des Wellenleiters wird die Länge der Strecke bezeichnet, die elektromagnetische Strahlung im Vakuum in derselben Zeit zurücklegen würde, die sie für die Propagation durch den Wellenleiter in dessen Ruhesystem benötigt.
Andere Beschreibungen der Phasenstörung φ_ist sind nicht ausgeschlossen. In einer alternativen Ausführungsform kann statt ΔL eine Referenzweglänge verwendet werden, welche die Abweichung der elektromagnetischen Weglänge eines Wellenleiters zu einer beliebigen Referenzlänge ist.
Die gewünschte modulierte Phase φ_soll kann für jede der Wellenlängen unabhängig voneinander oder abhängig von der gewünschten modulierten Phase φ_soll für eine oder mehrere der anderen Wellenlängen bestimmt werden, wodurch es möglich ist, für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Funktionen zu implementieren. Das bedeutet beispielsweise, dass für elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge eine Bündelung der Strahlung auf einen Brennpunkt gewünscht ist, während für Strahlung einer zweiten Wellenlänge eine Doughnut-Mode gewünscht ist und für Strahlung einer dritten Wellenlänge eine Kippung der Ausbreitungsrichtung gewünscht ist. Kombinationen solcher Funktionen, wie beispielsweise die Kippung der Ausbreitungsrichtung und die Bündelung der Strahlung einer Wellenlänge auf einen Brennpunkt sind auch möglich. Es ist auch möglich, dass φ_soll für verschiedene Wellenlängen so gewählt wird, dass die Ausbreitungsrichtung der Strahlung für jede der verschiedenen Wellenlängen um einen für jede der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlichen Winkel gekippt wird und/oder an einem für jede der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlichen Brennpunkt gebündelt wird. Beispiele für solche Funktionen sind die Fokussierung der Strahlung auf einen Brennpunkt in einer Ebene, ähnlich wie es durch eine konvexe Linse ermöglicht wird, die Kippung der Strahlung, oder die Erzeugung einer Doughnut-Mode, also einer ringförmigen Verteilung der Intensität elektromagnetischer Strahlung in einer Ebene.
In Ausführungsformen des Verfahrens ist die gewünschte modulierte Phase φ_soll durch die Formel φ_soll (λ,j) = (φ_ist(λ,j) + φ_hub (λ,j))mod (2π) beschreibbar, wobei φ_hu (λ,j) ein gewünschter Phasenhub ist.
Eine Änderung der elektromagnetischen Weglänge, welche in der gewünschten modulierten Phase φ_soll resultiert, kann durch die Formel $L_{s o l l} (λ, j) = \frac{λ φ_{h u b} (λ, j)}{2 π} + N λ$
beschrieben werden, wobei N eine beliebige ganze Zahl ist.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens liegt N in dem Bereich zwischen einschließlich -9 und einschließlich +9
In Ausführungsformen des Verfahrens, in denen es gewünscht ist, die Phasenstörung φ_ist für eine Wellenlänge λ und einen Wellenleiter j zu kompensieren und auch die Implementation einer zusätzlichen Funktion φ_zus gewünscht ist, kann der gewünschte Phasenhub φ_hub(λ,j) durch die Formel $φ_{h u b} (λ, j) = ((- φ_{i s t} (λ, j)) + φ_{z u s} (λ, j)) mod (2 π)$
bestimmt werden.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens, in denen es nur gewünscht ist, die Phasenstörung φ_ist für eine Wellenlänge λ und einen Wellenleiter j zu kompensieren, ohne eine zusätzliche Funktion zu implementieren, kann die zusätzliche Funktion φ_zus(λ,j) = 0 gesetzt werden, wodurch der gewünschte Phasenhub durch die Formel φ_hub (λ,j) = (-φ_ist(λ,j))mod (2π) beschreibbar ist, und die Phasenstörung φ_ist vollständig kompensiert wird.
Da die Stellgröße x_j im Allgemeinen nicht für jede Wellenlänge einzeln variiert werden kann, ist es im Allgemeinen nicht möglich, für jede Wellenlänge und für jeden Wellenleiter den idealen Zustand φ_soll = φ_res zu erreichen, weshalb es notwendig ist, die Fehlerfunktion f zu minimieren, um dem idealen Zustand so nah wie möglich zu kommen.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die Fehlerfunktion f

- durch das Ziehen einer Quadratwurzel von über alle der Wellenlängen aufsummierten Quadraten der Abweichung zwischen der resultierenden Phase φ_res und der gewünschten modulierten Phase φ_soll oder
- durch das Aufsummieren über alle der Wellenlängen, der Beträge der Abweichung zwischen der resultierenden Phase φ_res und der gewünschten modulierten Phase φ_soll,

Die Fehlerfunktion f kann mittels der Formel $f = \sqrt{\sum_{i = 1}^{i \geq 2} {((φ_{r e s_{i}} - φ_{s o l l_{i}}) mod (2 π))}^{2}}$
oder mittels der Formel $f = \sum_{i = 1}^{i \geq 2} | (φ_{r e s_{i}} - φ_{s o l l_{i}}) mod (2 π) |$
ermittelt werden. Dabei stellt i einen Index einer der Wellenlängen dar, φ_solli und φ_resi jeweils die gewünschte modulierten Phase und die resultierende Phase für die Wellenlänge mit Index i und der Ausdruck i ≥ 2 repräsentiert die Anzahl der mindestens zwei Wellenlängen.
In bevorzugten Ausführungsformen wird der resultierende Wert der Stellgröße x_{j_fmin} für jeden der ausgewählten Wellenleiter durch ein iteratives Verfahren ermittelt, wobei durch das iterative Verfahren die Fehlerfunktion f minimiert wird.
Ein Vorteil iterativer Verfahren gegenüber rechnerischen Verfahren ist, dass erstere gegenüber Modellfehlern robust sind, während die Präzision rechnerischer Verfahren durch die Akkuratesse der mathematischen Modelle begrenzt ist, auf denen sie basieren.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird der resultierende Wert der Stellgröße x_{j_fmin} für jeden der ausgewählten Wellenleiter durch ein iteratives Verfahren, umfassend die Schritte

a) Messen in einer Ebene hinter dem ersten Ende oder hinter dem zweiten Ende der Anordnung oder der das Element aufweisenden Anordnung, von Intensität durch jedem der ausgewählten Wellenleiter geleiteter elektromagnetischer Strahlung in jeder der Wellenlängen,
b) Ermittlung der Differenz zwischen der gemessenen Intensität und der mit der gewünschten modulierten Phase φ_soll erwarteten Intensität, für jede der Wellenlängen und jedem der ausgewählten Wellenleiter,
c) Ändern des Wertes der Stellgröße x_j für jeden der ausgewählten Wellenleiter,
d) Ausführen der Schritte a), b) und c), bis ein lokales Minimum oder das globale Minimum der Differenz zwischen der gemessenen Intensität und der mit der gewünschten modulierten Phase φ_soll erwarteten Intensität ermittelt ist und Einstellen der Stellgröße x_j auf den Wert, bei welchem das ermittelte lokale Minimum oder globale Minimum erreicht wird, für jeden der ausgewählten Wellenleiter ermittelt.

In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens weist die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit

a) einer Weglängendifferenz ΔS_j und/oder
b) einer elektrischen Spannung U_j und/oder
c) einer elektrischen Stromstärke I_j und/oder
d) einer Strompulsweite P_Ij und/oder
e) einer Spannungspulsweite P_Uj und/oder
f) einer Temperatur T_j und/oder
g) einen SLM-Graustufenwert

Die Stellgröße x_j kann durch unterschiedliche Methoden eingestellt werden.
In Ausführungsformen, falls sie mittels einer Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter eingestellt wird, weist die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit einer durch die Verkürzung und/oder Verlängerung verursachten Weglängendifferenz ΔS_j auf. Auch weist die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit einer Weglängendifferenz ΔS_j auf, wenn sie durch additive, oder ablative Fertigung eines transmissiven Elements eingestellt wird.
In weiteren Ausführungsformen, falls die Stellgröße x_j mittels eines Flächenlichtmodulators eingestellt wird, kann sie einen funktionalen Zusammenhang mit einer oder mehreren physikalischen Größe oder Größen aufweisen, mit der oder denen der Flächenlichtmodulator angesteuert wird. Diese Größe oder Größen kann oder können eine elektrischen Spannung U_j und/oder einer elektrischen Stromstärke I_j und/oder eine Strompulsweite P_Ij und/oder eine Spannungspulsweite P_Uj und/oder eine Temperatur T_j sein. Dabei kann diese Größe oder können diese Größen auch einen funktionalen Zusammenhang mit einer Weglängendifferenz ΔS_j aufweisen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Flächenlichtmodulator eine Anordnung separat ansteuerbarer, absenkbarer, anhebbarer und/oder kippbarer Mikrospiegel aufweist.
Die Stellgröße x_j kann in Ausführungsformen mit Flächenlichtmodulatoren durch Strom- oder Spannungspulsweitenmodulation gesteuert werden.
Die Stellgröße x_j kann in weiteren Ausführungsformen mit Flächenlichtmodulatoren durch Temperaturmodulation gesteuert werden, wobei die Temperatur in einem funktionalen Zusammenhang mit einer Stromstärke und/oder einer Spannung steht. Thermo-optisch modulierte Flächenlichtmodulatoren beispielsweise können durch die Temperatur geregelt werden, die Temperatur kann wiederum durch eine elektrische Stromstärke geregelt werden.
In Ausführungsformen kann jedes Element eines Flächenlichtmodulators Graustufenwerte im Bereich 0 bis 255 einnehmen.
Die Phasenänderung φ_stell eines Wellenleiters der Anordnung mit Index j bei einer Wellenlänge λ, kann durch die Formel $φ_{s t e l l} (λ, j) = \frac{x_{j} (n (λ, j) - n_{U} (λ))}{λ}$
mod (2π) beschrieben werden, wobei n(λ,j) der Brechungsindex des Wellenleiters j bei der Wellenlänge λ für das Materials ist, auf das die Stellgröße x_j angelegt wird und n_U(λ) der Brechungsindex des die Anordnung umgebenden Mediums bei der Wellenlänge λ.
Andere Beschreibungen der Phasenänderung φ_stell sind nicht ausgeschlossen.
Im Allgemeinen können verschiedene Werte der Stellgröße x_j dieselbe Phasenänderung φ_stell für eine Wellenlänge zum Ergebnis haben. Dieses Prinzip macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zu Nutze, um einen Wert der Stellgröße x_j zu ermitteln, bei der die resultierende Phase φ_res = (φ_ist + φ_stell)mod(2π) der gewünschten modulierten Phase φ_soll für alle der Wellenlängen möglichst nahe kommt. Überraschenderweise ist dies der bei Werten der Stellgröße x_j der Fall, bei denen die Phasenänderung φ_stell weit über 2π liegen würde, wenn sie nicht den Modulo-Operator mod(2π) umfassen würde.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens werden die funktionalen Zusammenhänge zwischen der Stellgröße x_j und den in a) bis f) genannten Größen jeweils durch eine Kalibration ermittelt und/oder umfasst der funktionale Zusammenhang zwischen der Stellgröße x_j und der Weglängenänderung ΔS_j die auf die jeweilige Wellenlänge normierte Differenz zwischen

a) dem Brechungsindex der verlängerten und/oder verkürzten Wellenleiter und/oder des Elements und
b) dem Brechungsindex des die Anordnung umgebenden Mediums.

Falls die Stellgröße x_j durch einen eine Mikrospiegelanordnung umfassenden Flächenlichtmodulator eingestellt wird, kann die Phasenänderung φ_stell beispielsweise durch $φ_{s t e l l} (λ, j) = 2 π (\frac{x_{j}}{λ} mod 1)$
beschrieben werden, wobei die Stellgröße x_j mit der Weglängendifferenz ΔS_j den funktionalen Zusammenhang x_j = n_U(λ) ΔS_j aufweist. $\frac{x_{j}}{λ}$
kann dabei Werte zwischen einschließlich -9 und einschließlich +9 einnehmen.
Falls die Stellgröße x_j durch eine Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter und/oder durch ein transmissives Element eingestellt wird, kann die Phasenänderung φ_stell beispielsweise durch $φ_{s t e l l} (λ, j) = 2 π (\frac{x_{j}}{λ} mod 1)$
beschrieben werden, wobei die Stellgröße x_j mit der Weglängendifferenz ΔS_j den funktionalen Zusammenhang x_j = ((n(λ,j) - n_U(λ))AS_j aufweist. $\frac{x_{j}}{λ}$
kann dabei Werte zwischen einschließlich -9 und einschließlich +9 einnehmen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens liegen die mindestens zwei Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1.000.000 nm, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 3.000 nm, besonders bevorzugt im Bereich 350 bis 1.550 und/oder sind ausgewählt aus den Wellenlängen 450 nm, 520 nm, 530 nm, 620 nm, 630 nm, 638 nm, 920 nm, 1.330 nm und 1.550 nm.
Demnach liegen die mindestens zwei Wellenlängen in Ausführungsformen in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der von einschließlich der UV-C- bis einschließlich zur FIR-Strahlung reicht und in bevorzugten Ausführungsformen von einschließlich der UV-C- bis einschließlich zur IR-B-Strahlung und in besonders bevorzugten Ausführungsformen von einschließlich der UV-C- über den Bereich der IR-A-Strahlung hinaus bis zum kurzwelligsten $\frac{3}{32} tel$
der IR-B-Strahlung.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens ist die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als Bildwellenleiter und/oder als ein mindestens zwei optische Fasern und/oder als ein 100 bis 100.000 optische Fasern umfassendes Bündel Lichtwellenleiter ausgebildet.
Bevorzugt ist die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter in dem Verfahren als Bündel Monomode-Lichtwellenleiter, besonders bevorzugt als ein Monomode-Lichtwellenleiter umfassendes CFB ausgebildet.
In Ausführungsformen des Verfahrens ist die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als eine 100 bis 100.000 Monomode-Kerne umfassende Mehrkernfaser ausgebildet.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt die Kompensation von Phasenstörung und/oder die Implementation einer Funktion, welche die Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, durch ein statisches Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist und/oder durch ein adaptives Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist, wobei ein reflektives Element von dem jeweiligen Ende der Anordnung, hinter welchem es positioniert ist, beabstandet positioniert ist und durch Reflexion elektromagnetischer Strahlung der mindestens zwei Wellenlängen aus einem geeigneten Einfallswinkel, eine Phasenmaske auf das jeweilige Ende der Anordnung abbildet. Zweckmäßig ist ein adaptives Element als Flächenlichtmodulator ausgebildet, wobei der Flächenlichtmodulator ein elektro-optisch modulierter Flächenlichtmodulator, oder ein thermo-optisch modulierter Flächenlichtmodulator ist. Vorteilhaft ist der Flächenlichtmodulator als LCoS ausgebildet.
Der Abstand des reflektiven Elements von dem jeweiligen Ende der Anordnung, hinter welchem es positioniert ist, kann nach Belieben gewählt werden. Bevorzugt liegt der Abstand innerhalb des Bereichs zwischen dem 10.000-fachen der kleinsten der Wellenlängen und dem 10.000.000-fachen der größten der Wellenlängen, besonders bevorzugt innerhalb des Bereichs zwischen dem 10.000-fachen der kleinsten der Wellenlängen und dem 100.000-fachen der größten der Wellenlängen.
Der geeignete Einfallswinkel elektromagnetischer Strahlung auf das reflektive Element liegt über 0° und unter 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 80°.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt

- die Verlängerung ausgewählter Wellenleiter zur Kompensation von Phasenstörung und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert durch eine additive Fertigung auf die ausgewählten Wellenleiter am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der Anordnung und/oder
- die Verkürzung ausgewählter Wellenleiter zur Kompensation der Phasenstörung und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert durch Laser-Ablation und/oder durch Elektronenstrahlablation der ausgewählten Wellenleiter am ersten Ende und/oder dem zweiten Ende der Anordnung und/oder
- das Bereitstellen des Elements am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der Anordnung durch eine additive Fertigung auf einem Element-Rohling und/oder durch Laser-Ablation und/oder durch Elektronenstrahlablation eines Element-Rohlings und/oder
- das Bereitstellen des Elements an dem ersten Ende und/oder dem zweiten Ende des jeweiligen Wellenleiters durch Fertigung von Metaoptiken, wobei die Metaoptiken dadurch gekennzeichnet sind, dass sie Strukturen aufweisen, deren Dimensionen kleiner als die kleinste der Wellenlängen sind.

Als Element-Rohling wird im Sinne der Erfindung das Element in dem Zustand bezeichnet, in dem es sich zeitlich vor der additiven Fertigung und/oder der Laser-Ablation und/oder der Elektronenstrahlablation befindet, durch welche es zu einem Element zur Kompensation von Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung gefertigt wird.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens umfasst die additive Fertigung Ein-Photon-Polymerisation und/oder Zwei-Photonen-Polymerisation und/oder Mehr-Photonen-Polymerisation.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens erfolgt Teilschritt b) i) des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder mittels Weißlichtinterferometrie oder mittels digitaler Holographie und/oder eines Phase-Retrieval-Verfahrens.
Digitale Holographie und das Phase-Retrieval-Verfahrens können dabei gemeinsam verwendet werden.
In weiteren Ausführungsformen ist die digitale Holographie als off-axis-Holographie unter Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers ausgebildet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von elektromagnetischer Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter j und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, umfassend eine Anordnung von mindestens zwei elektromagnetischen Wellenleitern, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Vorrichtung ein Element zur Kompensation von Phasenstörung und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert und/oder durch an einem ersten Ende und/oder einem zweiten Ende der Anordnung derart moduliert ist, dass das Element entlang der elektromagnetischen Ausbreitungsrichtung eines oder mehrerer ausgewählter Wellenleiter eine Stellgröße x_{j_fmin} aufweist, und/oder
- Die Vorrichtung dadurch moduliert ist, dass die Anordnung eine Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter aufweist, wobei für jeden der ausgewählten Wellenleiter die Verkürzung und/oder Verlängerung eine Stellgröße x_{j_fmin} aufweist,

_{j_fmin}

Die Phasenstörung φ_ist eines Wellenleiters der Anordnung mit Index j bei einer Wellenlänge λ, kann durch die Formel $φ_{i s t} (λ, j) = 2 π (\frac{Δ L (λ, j)}{λ} mod 1)$
beschrieben werden, wobei ΔL eine Abweichung einer elektromagnetischen Weglänge des Wellenleiters j bei der Wellenlänge λ von der gemittelten elektromagnetischen Weglänge bei der Wellenlänge λ aller Wellenleiter ist. Als elektromagnetische Weglänge des Wellenleiters wird die Länge der Strecke bezeichnet, die elektromagnetische Strahlung im Vakuum in derselben Zeit zurücklegen würde, die sie für die Durchquerung des Wellenleiters in dessen Ruhesystem benötigt.
Andere Beschreibungen der Phasenstörung φ_ist sind nicht ausgeschlossen. In einer alternativen Ausführungsform kann statt ΔL eine Referenzweglänge verwendet werden, welche die Abweichung der elektromagnetischen Weglänge eines Wellenleiters zu einer beliebigen Referenzlänge ist.
Die gewünschte modulierte Phase φ_soll kann für jede der Wellenlänge unabhängig voneinander oder abhängig von der gewünschten modulierten Phase φ_soll für eine oder mehrere der anderen Wellenlängen bestimmt werden, wodurch es möglich ist, für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Funktionen zu implementieren. Das bedeutet, dass für elektromagnetische Strahlung einer ersten Wellenlänge eine Bündelung der Strahlung auf einen Brennpunkt gewünscht ist, während für Strahlung einer zweiten Wellenlänge eine Doughnut-Mode gewünscht ist und für Strahlung einer dritten Wellenlänge eine Kippung der Ausbreitungsrichtung gewünscht ist. Kombinationen solcher Funktionen, wie beispielsweise die Kippung der Ausbreitungsrichtung und die Bündelung der Strahlung einer Wellenlänge auf einen Brennpunkt sind auch möglich. Es ist auch möglich, dass φs_oll für verschiedene Wellenlängen so gewählt wird, dass die Ausbreitungsrichtung der Strahlung für jede der verschiedenen Wellenlängen um einen für jede der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlichen Winkel gekippt wird und/oder an einem für jede der verschiedenen Wellenlängen unterschiedlichen Brennpunkt gebündelt wird. Beispiele für solche Funktionen sind die Fokussierung der Strahlung auf einen Brennpunkt in einer Ebene, ähnlich wie es durch eine konvexe Linse ermöglicht wird, die Kippung der Strahlung, oder die Erzeugung einer Doughnut-Mode, also einer ringförmigen Verteilung der Intensität elektromagnetischer Strahlung in einer Ebene.
In Ausführungsformen der Vorrichtung ist die gewünschte modulierte Phase φ_soll durch die Formel φ_soll (λ,j) = (φ_ist(λ,j) + φ_hub(λ,j))mod (2π) beschreibbar, wobei φ_hub(λ,j) ein gewünschter Phasenhub ist.
Eine Änderung der elektromagnetischen Weglänge, welche in der gewünschten modulierten Phase φ_soll resultiert, kann durch die Formel $L_{s o l l} (λ, j) = \frac{λ φ_{h u b} (λ, j)}{2 π} + N λ$
beschrieben werden, wobei N eine beliebige ganze Zahl ist.
In weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung liegt N in dem Bereich zwischen einschließlich -9 und einschließlich +9.
In Ausführungsformen der Vorrichtung, die dazu ausgelegt sind, die Phasenstörung φ_ist für eine Wellenlänge λ und einen Wellenleiter j zu kompensieren und auch eine zusätzliche Funktion φ_zus zu implementieren, kann der gewünschte Phasenhub φ_hub(λ,j) durch die Formel $φ_{h u b} (λ, j) = (- φ_{i s t} (λ, j) + φ_{z u s} (λ, j)) mod (2 π)$
beschrieben werden.
In weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung, die dazu ausgelegt sind, die Phasenstörung φ_ist für eine Wellenlänge λ und einen Wellenleiter j zu kompensieren, ohne eine zusätzliche Funktion zu implementieren, kann die zusätzliche Funktion φ_zus(λ,j) = 0 gesetzt sein, wodurch der gewünschte Phasenhub durch die Formel φ_hu (λ,7) = (-φ_ist(λ,j))mod (2π) beschreibbar ist, und die Phasenstörung φ_ist vollständig kompensiert ist.
Da die Stellgröße x_j im Allgemeinen nicht für jede Wellenlänge einzeln variiert werden kann, ist es im Allgemeinen nicht möglich, für jede Wellenlänge und für jeden Wellenleiter den idealen Zustand φ_soll = φ_res zu erreichen, weshalb es notwendig ist, die Fehlerfunktion f zu minimieren, um dem idealen Zustand so nah wie möglich zu kommen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung weist die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit

Die Stellgröße x_j kann durch unterschiedliche Methoden eingestellt werden.
In Ausführungsformen, falls sie mittels einer Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter eingestellt wird, weist die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit einer durch die Verkürzung und/oder Verlängerung verursachten Weglängendifferenz ΔS_j auf. Auch weist die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit einer Weglängendifferenz ΔS_j auf, wenn sie durch additive, oder ablative Fertigung eines transmissiven Elements eingestellt wird.
In weiteren Ausführungsformen, falls die Stellgröße x_j mittels eines Flächenlichtmodulators eingestellt wird, kann sie einen funktionalen Zusammenhang mit einer oder mehreren physikalischen Größe oder Größen aufweisen, mit der oder denen der Flächenlichtmodulator angesteuert wird. Diese Größe oder Größen kann oder können eine elektrischen Spannung U_j und/oder einer elektrischen Stromstärke I_j und/oder eine Strompulsweite P_Ij und/oder eine Spannungspulsweite P_Uj und/oder eine Temperatur T_j sein. Dabei kann diese Größe oder können diese Größen auch einen funktionalen Zusammenhang mit einer Weglängendifferenz ΔS_j aufweisen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Flächenlichtmodulator eine Anordnung separat ansteuerbarer, absenkbarer, anhebbarer und/oder kippbarer Mikrospiegel aufweist.
Die Stellgröße x_j kann in Ausführungsformen mit Flächenlichtmodulatoren durch Strom- oder Spannungspulsweitenmodulation gesteuert werden.
Die Stellgröße x_j kann in weiteren Ausführungsformen mit Flächenlichtmodulatoren durch Temperaturmodulation gesteuert werden, wobei die Temperatur in einem funktionalen Zusammenhang mit einer Stromstärke und/oder einer Spannung steht. Thermo-optisch modulierte Flächenlichtmodulatoren beispielsweise können durch die Temperatur geregelt werden, Die Temperatur kann wiederum durch einen elektrischen Strom geregelt werden.
Die Phasenänderung φ_stell eines Wellenleiters der Anordnung mit Index j bei einer Wellenlänge λ, kann durch die Formel $φ_{s t e l l} (λ, j) = \frac{x_{j} (n (λ, j) - n_{U} (λ))}{λ} mod (2 π)$
beschrieben werden, wobei n(λ,j) der Brechungsindex des Wellenleiters j bei der Wellenlänge λ für das Materials ist, auf das die Stellgröße x_j angelegt wird und n_U(λ) der Brechungsindex des die Anordnung umgebenden Mediums bei der Wellenlänge λ.
Andere Beschreibungen der Phasenänderung φ_stell sind nicht ausgeschlossen.
Im Allgemeinen können verschiedene Werte der Stellgröße x_j dieselbe Phasenänderung φ_stell für eine Wellenlänge zum Ergebnis haben. Dieses Prinzip macht sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Nutze, um einen Wert der Stellgröße x_j zu ermöglichen, bei der die resultierende Phase φ_res = (φ_ist + φ_stell)mod(2π) der gewünschten modulierten Phase φ_soll für alle der Wellenlängen möglichst nahe ist. Überraschenderweise ist dies der bei Werten der Stellgröße x_j der Fall, bei denen die Phasenänderung φ_stell weit über 2π liegen würde, wenn sie nicht den Modulo-Operator mod(2π) umfassen würde.
In bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung liegen die mindestens zwei Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 1.000.000 nm, vorteilhaft in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 3.000 nm, besonders vorteilhaft im Bereich 350 nm bis 1.550 nm und/oder sind ausgewählt aus den Wellenlängen 450 nm, 520 nm, 530 nm, 638 nm, 920 nm, 1.330 nm und 1.550 nm.
Demnach liegen die mindestens zwei Wellenlängen in Ausführungsformen in einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der von einschließlich der UV-C- bis einschließlich zur FIR-Strahlung reicht und in bevorzugten Ausführungsformen von einschließlich der UV-C- bis einschließlich zur IR-B-Strahlung und in besonders bevorzugten Ausführungsformen von einschließlich der UV-C- über den Bereich der IR-A-Strahlung hinaus bis zum kurzwelligsten $\frac{3}{32} tel$
der IR-B-Strahlung.
In bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung ist die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als Bildwellenleiter ausgebildet, und/oder als ein mindestens zwei optische Fasern und/oder als ein 100 bis 100.000 optische Fasern umfassendes Bündel Lichtwellenleiter ausgebildet.
Bevorzugt ist die von der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasste Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als Bündel Monomode-Lichtwellenleiter, besonders bevorzugt als ein Monomode-Lichtwellenleiter umfassendes CFB ausgebildet.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens ist die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als eine 100 bis 100.000 Monomode-Kerne umfassende Mehrkernfaser ausgebildet.
In bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung, die ein Element umfassen, ist das Element ein statisches Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist und/oder ein adaptives Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist, wobei ein reflektives Element von dem jeweiligen Ende der Anordnung, hinter welchem es positioniert ist, beabstandet positioniert ist und durch Reflexion elektromagnetischer Strahlung der mindestens zwei Wellenlängen aus einem geeigneten Einfallswinkel, eine Phasenmaske auf das jeweilige Ende der Anordnung abbildet, wobei das adaptives Element als Flächenlichtmodulator ausgebildet ist.
Zweckmäßig ist ein adaptives Element als Flächenlichtmodulator ausgebildet, wobei der Flächenlichtmodulator ein elektro-optisch modulierter Flächenlichtmodulator, oder ein thermo-optisch modulierter Flächenlichtmodulator ist. Vorteilhaft ist der Flächenlichtmodulator als LCoS ausgebildet.
Der Abstand des reflektiven Elements von dem jeweiligen Ende der Anordnung, hinter welchem es positioniert ist, kann nach Belieben gewählt werden. Bevorzugt liegt der Abstand innerhalb des Bereichs zwischen dem 10.000-fachen der kleinsten der Wellenlängen und dem 10.000.000-fachen der größten der Wellenlängen, besonders bevorzugt innerhalb des Bereichs zwischen dem 10.000-fachen der kleinsten der Wellenlängen und dem 100.000-fachen der größten der Wellenlängen.
Der geeignete Einfallswinkel elektromagnetischer Strahlung auf das reflektive Element liegt über 0° und unter 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 80°.
In bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung, die ein Element umfassen, ist das Element ein statisches Element, wobei das Element entlang der elektromagnetischen Ausbreitungsrichtung jedes der ausgewählten Wellenleiter eine Weglängendifferenz ΔS_j bezüglich zu einer Referenzlänge aufweist.
Es kann dabei eine beliebige Referenzlänge gewählt werden. Die Weglängendifferenz ΔS_j für jeden der ausgewählten Wellenleiter ist durch eine als Phasenmaske ausgebildete Oberflächenbeschaffung des Elements realisiert.
In Ausführungsformen der Vorrichtung umfasst das Material des Elements zur Kompensation der Phasenstörung der ausgewählten Wellenleiter am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der jeweiligen Wellenleiters Metaoptiken, wobei die Metaoptiken dadurch gekennzeichnet sind, dass sie Strukturen aufweisen, deren Dimensionen kleiner als die kleinste der Wellenlängen sind.
Prinzipiell können Metaoptiken bereitgestellt werden, welche Strukturen aufweisen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der funktionale Zusammenhang zwischen ihren Brechungsindizes und der Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung frei wählbar ist. Anders als bei herkömmlichen, für elektromagnetische Strahlung transparenten Materialien ist dieser funktionale Zusammenhang nicht zwingend durch die Sellmeier-Gleichung darstellbar. Durch frei wählbare Brechungsindizes ist es möglich, für jede der Wellenlängen die resultierende Phase φ_res mit der gewünschten modulierten Phase φ_soll gleichzusetzen und somit die die Phasenstörung für jede der Wellenlängen gänzlich auszulöschen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung

• des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder seinen Ausführungsformen und/oder
• der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder seinen Ausführungsformen

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels eingehender erläutert werden. Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung und soll dabei die Erfindung beschreiben, ohne diese zu beschränken.
Ein Endoskop wird bereitgestellt, welches ein 10.000 Faserkerne aufweisendes Monomode-CFB des Typs Sumita HDIG umfasst. Der Durchmesser des Endoskops beträgt 385 µm und ist nur durch das CFB begrenzt.
18 stellt schematisch einen Aufbau zur Ermittlung und zur Kompensation der Phasenstörung eines CFB dar. Die Phasenstörung φ_ist jedes Faserkerns des Monomode-CFB wird mittels off-axis-Holographie unter Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers sequenziell in den Wellenlängen 450 nm, 520 nm und 638 nm vermessen, wobei der Aufbau dem Fachmann bekannte Komponenten umfasst, nämlich ein Laser, eine Blende (B1), Strahlteiler (BS1 und BS2), Linsen (L1, L2, L3. L4, L5 und L6), ein Spiegel (M1), ein Mikroskopobjektiv (MO1), Polarisationsfilter (PF1, PF2 und PF3) und ein fasergekoppelter Strahlteiler (Y 50:50), welcher Strahlung im Intensitätsverhältnis 50:50 in zwei Komponenten teilt. Hierzu wird das proximale Ende des Monomode-CFB auf einer Kamera (CAM1) abgebildet. Dabei trifft Licht vom proximalen Ende der Mehrkernfaser auf einen reflektiven Flächenlichtmodulator (SLM) des Typs Holoeye Pluto-NIR-011 im ausgeschalteten Zustand und wird von diesem in Richtung der Kamera (CAM1) reflektiert. Dabei werden das proximale Ende des CFB und der Flächenlichtmodulator (SLM) durch die Kamera (CAM1) scharf abgebildet. Alternativ zum ausgeschalteten Zustand kann der Flächenlichtmodulator auch im eingeschalteten Zustand sein, aber für alle Faserkerne den gleichen Graustufenwert aufweisen.
Es werden für jeden Faserkern des CFB alle Graustufenwerte des Flächenlichtmodulators (SLM) von 0 bis 255 sequenziell eingestellt. Für jeden Faserkern wird in jeder der drei Wellenlängen bei jedem Graustufenwert die resultierende Phase φ_res gemessen und jeder Messwert gespeichert. Es wird auch für jeden Faserkern und jeden Graustufenwert des Flächenlichtmodulators (SLM) die Summe der Quadrate der resultierenden Phase φ_res über alle drei Wellenlängen ermittelt und gespeichert. Die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der resultierenden Phase φ_res über alle drei Wellenlängen ist dabei die Fehlerfunktion f.
Die Phasenstörung wird dadurch kompensiert, dass am Flächenlichtmodulator (SLM) für jeden Faserkern des CFB der Graustufenwert des Flächenlichtmodulators (SLM) eingestellt wird, für den die Fehlerfunktion f den geringsten Wert annimmt.
19 stellt schematisch einen Aufbau zur Abbildung auf eine Kamera (CAM2) einer mit einer in den Wellenlängen 450 nm, 520 nm und 638 nm strahlender RGB-LED (Rot-Grün-Blau-Leuchtdiode) beleuchteten USAF-Auflösungstesttafel mit demselben CFB und dem zuvor zur Kompensation der Phasenstörung eingestellten SLM dar. Dabei wird die USAF-Auflösungstesttafel durch die Kamera (CAM2) scharf abgebildet. Die Abbildung der USAF-Auflösungstesttafel in den drei Wellenlängen wird in der vierten Zeile der 17 dargestellt.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine schematische Darstellung von in eine Anordnung (2) elektromagnetischer Wellenleiter (3) eintretender elektromagnetische Strahlung ohne Phasenstörung (1) und von aus der Anordnung (2) austretender, Phasenstörungen φ_ist aufweisender elektromagnetischer Strahlung (4),
2 die resultierenden Phasen φ_res-rot (5), φ_res-grün (6) und φ_res-blau (7) eines beispielhaften Wellenleiters einer einen Flächenlichtmodulator (SLM) aufweisenden Ausführungsform des Verfahrens in den Wellenlängen 638 nm, 520 nm und 450 nm sowie die Fehlerfunktion $f = \sqrt{\sum_{i = 1}^{3} φ_{r e s_{i}}^{2}}$
(8), jeweils als Funktion der Stellgröße x_j, wobei die Stellgröße x_j in dieser Ausführungsform als SLM-Graustufenwert ausgebildet ist und keine Implementation einer zusätzlichen Funktion φ_zus vorhanden ist,
3 eine schematische Darstellung von in eine Anordnung (2) elektromagnetischer Wellenleiter (3) eintretender elektromagnetischer Strahlung ohne Phasenstörung (1), wobei die Anordnung an einem Ende ein eine additiv gefertigte Phasenmaske aufweisendes Element (9) zur Kompensation der Phasenstörung φ_ist und Implementation einer zusätzlichen Funktion φ_zus aufweist, wobei die zusätzlichen Funktion φ_zus die Fokussierung der austretenden elektromagnetischen Strahlung (10) auf einen Brennpunkt ist,
4 eine schematische Darstellung von in eine Anordnung (2) elektromagnetischer Wellenleiter (3) eintretender elektromagnetischer Strahlung ohne Phasenstörung (1), wobei die Anordnung an einem Ende ein eine additiv gefertigte Phasenmaske aufweisendes Element (11) zur Kompensation der Phasenstörung φ_ist aufweist und von austretender elektromagnetischer Strahlung (12), deren Phasenstörung kompensiert ist,
5 eine schematische Darstellung von auf einen Flächenlichtmodulator (SLM) treffender elektromagnetischer Strahlung ohne Phasenstörung (1), wobei der Flächenlichtmodulator (SLM) so eingestellt ist, dass die von ihm reflektierte Strahlung (13) einen Phasenhub φ_hub(λ,j) = ((-φ_ist(λ,j)) + φ_zus(λ,j))mod (2π) aufweist, wodurch die Phasenstörung φ_ist der Strahlung (12) beim Austritt aus einer Anordnung (2) elektromagnetischer Wellenleiter (3) kompensiert ist und eine zusätzlichen Funktion φ_zus implementiert ist, wobei die zusätzlichen Funktion φ_zus die Fokussierung der austretenden elektromagnetischen Strahlung (10) auf einen Brennpunkt ist,
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter (j),
7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Endes einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter, wobei die einzelnen Kreise einzelne Wellenleiter darstellen und deren Graustufen die Werte der Phasenstörung φ_ist(λ₁,j) in einer Wellenlänge λ₁ darstellen,
8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Endes einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter, wobei die einzelnen Kreise einzelne Wellenleiter darstellen und deren Graustufen die Werte der Phasenstörung φ_ist(λ₂,j) in einer Wellenlänge λ₂ darstellen,
9 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Endes einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter, wobei die einzelnen Kreise einzelne Wellenleiter darstellen und deren Graustufen die Werte des gewünschten Phasenhubes φ_hub(λ₁,j)) = (-φ_ist(λ₁,j))mod (2π) in einer Wellenlänge λ₁ darstellen,
10 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Endes einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter, wobei die einzelnen Kreise einzelne Wellenleiter darstellen und deren Graustufen die Werte des gewünschten Phasenhubes φ_hub(λ₂,j) = (-φ_ist(λ₂,j))mod (2π) in einer Wellenlänge λ₂ darstellen,
11 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Endes einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter, wobei die einzelnen Kreise einzelne Wellenleiter darstellen und deren Graustufen die Werte der gewünschten modulierten Phase φ_soll (λ₁,j) = (φ_ist(λ₁,j) + φ_hub (λ₁,j))mod (2π) mit Phasenhub φ_hub (λ₁,j) = (-φ_ist(λ₁,j) + φ_zus (λ₁,j))mod (2π) in einer Wellenlänge λ₁ darstellen, wobei die zusätzliche Funktion φ_zus(λ₁,j) einer Fokussierung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ₁ auf einen Brennpunkt, entspricht,
12 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Endes einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter, wobei die einzelnen Kreise einzelne Wellenleiter darstellen und deren Graustufen die Werte der gewünschten modulierten Phase φ_soll (λ₂,j) = (φ_ist(λ₂,j) + φ_hub (λ₂,j))mod (2π) mit Phasenhub φ_hub (λ₂,j) = (-φ_ist(λ₂,j) + φ_zus(λ₂,j))mod (2π) in einer Wellenlänge λ₁ darstellen, wobei die zusätzliche Funktion φ_zus(λ₂,j) einer Doughnut-Mode elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ₂ entspricht,
13 eine Intensitätsverteilung fokussierter elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ₁ in der Brennebene (BEF),
14 eine Intensitätsverteilung fokussierter elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ₁ in einer zur Brennebene (BEF) orthogonalen Ebene, auf der der Brennpunkt liegt,
15 eine Intensitätsverteilung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ₁ in einer Doughnut-Mode in der Brennebene (BED),
16 eine Intensitätsverteilung elektromagnetischer Strahlung der Wellenlänge λ₂ einer Doughnut-Mode in einer zur Brennebene (BED) orthogonalen Ebene, auf der der Brennpunkt liegt,
17 Abbildungen in den Wellenlängen 450 nm, 520 nm, and 638 nm eines Teils einer jeweils mit den Wellenlängen 450 nm, 520 nm und 638 nm beleuchteten USAF-Auflösungstesttafel mittels einer Anordnung Lichtwellenleiter, wobei für Beleuchtungen in jeder der drei Wellenlängen die USAF-Auflösungstesttafel mit einer für jede der drei Wellenlängen optimierte Kompensation der Phasenstörung φ_ist abgebildet ist, sowie einer Kompensation der Phasenstörung, bei der die Fehlerfunktion f minimiert ist (Zeile RGB), wobei für den Betrachter ersichtlich ist, dass für die gleichzeitige Abbildung der USAF-Auflösungstesttafel mit allen Wellenleitern der Anordnung in allen drei Wellenlängen die Variante, bei der Fehlerfunktion f minimiert ist, geeigneter ist als die drei anderen Varianten,
18 eine Ausführungsform der Vorrichtung, welche für das Verfahren ausgebildet ist, die Phasenstörung φ_ist eines CFB des Typs Sumita HDIG, mittels off-axis-Holografie unter Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers zu ermitteln, wobei das proximale Ende des CFB auf eine Kamera CAM1 abgebildet wird,
19 eine Ausführungsform der Vorrichtung, welche für das Verfahren ausgebildet ist, eine USAF-Auflösungstesttafel abzubilden, bei dem Blende B1 Beugungen höherer Ordnung blockt.

Bezugszeichen

1: Eintretende elektromagnetische Strahlung ohne Phasenstörung
2: Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter
3: Elektromagnetische Wellenleiter
4: Eine Phasenstörung aufweisende austretende elektromagnetische Strahlung
5: Resultierende Phase φ_res-rot für λ = 638 nm als Funktion des SLM-Grauwertes
6: Resultierende Phase φ_res-grün für λ = 520 nm als Funktion des SLM-Grauwertes
7: Resultierende Phase φ_res-blau für λ = 450 nm als Funktion des SLM-Grauwertes
8: Fehlerfunktion f in einem Fall, in dem $φ_{s o l l} = 0 : f = \sqrt{\sum_{i = 1}^{3} φ_{r e s_{i}}^{2}}$
9: Eine additiv gefertigte Phasenmaske aufweisendes Element zur Kompensation der Phasenstörung und Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Austritt aus der Anordnung auf einen Brennpunkt fokussiert
10: Austretende elektromagnetische Strahlung, deren Phasenstörung kompensiert ist und welche auf einen Brennpunkt fokussiert ist
11: Eine additiv gefertigte Phasenmaske aufweisendes Element zur Kompensation der Phasenstörung
12: Austretende elektromagnetische Strahlung, deren Phasenstörung kompensiert ist
13: Einen Phasenhub φ_hub(λ,j) = ((-φ_ist(λ,j)) + φ_zus(λ,j))mod (2π) aufweisende, vom Flächenlichtmodulator reflektierte Strahlung, welche die Phasenstörung des elektromagnetischen Wellenleiters kompensiert und eine zusätzliche Funktion implementiert, welche die Fokussierung auf einen Brennpunkt zur Folge hat
BEF: In 12 dargestellte Brennebene
BED: Brennebene der in 14 dargestellten Doughnut-Mode
B1: Blende
BS1, BS2: Strahlteiler
CAM1,CAM2: Kamera
CFB: Kohärentes Bündel optischer Fasern
L1, L2, L3, L4, L5, L6: Linse
M1: Spiegel
MO1: Mikroskopobjektiv
PF1, PF2, PF3: Polarisationsfilter
Testchart: USAF-Auflösungstesttafel
SLM: Flächenlichtmodulator
Y 50:50: Fasergekoppelter Strahlteiler

Claims

Verfahren zur Kompensation von Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter j und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, umfassend die Schritte a. Bereitstellen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter j, wobei die Anordnung mindestens zwei elektromagnetische Wellenleiter j umfasst, b. Modulieren der einen funktionalen Zusammenhang mit einer Referenzweglänge aufweisenden elektromagnetischen Phasenstörung φ_ist eines oder mehrerer ausgewählter Wellenleiter j der Anordnung, für jede der Wellenlängen, umfassend die Teilschritte i) Vermessung der elektromagnetischen Phasenstörung φ_ist für jede der Wellenlängen an jedem der Wellenleiter j, ii) Bestimmung einer gewünschten modulierten Phase φ_soll für jeden der ausgewählten Wellenleiter j und für jede der Wellenlängen, wobei die gewünschte modulierte Phase φ_soll für jede der Wellenlängen unabhängig voneinander bestimmt wird oder abhängig von φ_soll für eine oder mehrere der anderen Wellenlängen bestimmt wird iii) Ermittlung eines funktionalen Zusammenhangs zwischen einer Stellgröße x_j und einer Phasenänderung φ_stell für jede der Wellenlängen und jeden der Wellenleiter j iv) Definition einer Fehlerfunktion f zur Beschreibung der Gesamtabweichung zwischen einer resultierenden Phase φ_res = (φ_ist + φ_stell)mod(2π) und der gewünschten modulierten Phase φ_soll über alle Wellenlängen für jeden der Wellenleiter j, v) Ermittlung des Wertes x_{j_fmin} der Stellgröße x_j bei der die Fehlerfunktion f einen minimalen Wert annimmt für jeden der Wellenleiter j. vi) 1. Bereitstellen und Positionieren eines Elements zur Kompensation von Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, hinter einem ersten Ende und/oder hinter einem zweiten Ende der Anordnung, derart, dass das Element entlang der elektromagnetischen Ausbreitungsrichtung jedes der ausgewählten Wellenleiter den Wert x_{j_fmin} der Stellgröße x_j aufweist, und/oder 2. Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter zur Kompensation der Phasenstörung der ausgewählten Wellenleiter und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der Anordnung, derart, dass die Verkürzung und/oder die Verlängerung für jeden der ausgewählten Wellenleiter und jeder der Wellenlängen den Wert x_{j_fmin} der Stellgröße x_j aufweist, so dass die das Element und/oder die Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter aufweisende Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter für jede der Wellenlängen und jeden der ausgewählten Wellenleiter eine resultierende Phase φ_{res_fmin} aufweist, bei der die Fehlerfunktion f einen minimalen Wert annimmt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerfunktion f - durch das Ziehen einer Quadratwurzel von über alle der Wellenlängen aufsummierten Quadraten der Abweichung zwischen der resultierenden Phase φ_res und der gewünschten modulierten Phase φ_soll oder - durch das Aufsummieren über alle der Wellenlängen, der Beträge der Abweichung zwischen der resultierenden Phase φ_res und der gewünschten modulierten Phase φ_soll, für jeden der ausgewählten Wellenleiter ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Wert der Stellgröße x_{j_fmin} für jeden der ausgewählten Wellenleiter durch ein iteratives Verfahren ermittelt wird, wobei durch das iterative Verfahren die Fehlerfunktion f minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Schritte a) Messen in einer Ebene hinter dem ersten Ende oder hinter dem zweiten Ende der Anordnung oder der das Element aufweisenden Anordnung, von Intensität durch jedem der ausgewählten Wellenleiter geleiteter elektromagnetischer Strahlung in jeder der Wellenlängen, b) Ermittlung der Differenz zwischen der gemessenen Intensität und der mit der gewünschten modulierten Phase φ_soll erwarteten intensität, für jede der Wellenlängen und jedem der ausgewählten Wellenleiter, c) Ändern des Wertes der Stellgröße x_j für jeden der ausgewählten Wellenleiter, d) Ausführen der Schritte a), b) und c), bis ein lokales Minimum oder das globale Minimum der Differenz zwischen der gemessenen Intensität und der mit der gewünschten modulierten Phase φ_soll erwarteten Intensität ermittelt ist und Einstellen der Stellgröße x_j auf den Wert, bei welchem das ermittelte lokale Minimum oder globale Minimum erreicht wird, für jeden der ausgewählten Wellenleiter.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit a) einer Weglängendifferenz ΔS_j und/oder b) einer elektrischen Spannung U_j und/oder c) einer elektrischen Stromstärke I_j und/oder d) einer Strompulsweite P_Ij und/oder e) einer Spannungspulsweite P_Uj und/oder f) einer Temperatur T_j und/oder g) einen SLM-Grauwert aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Zusammenhänge zwischen der Stellgröße x_j und den in a) bis f) genannten Größen jeweils durch eine Kalibration ermittelt werden und/oder der funktionale Zusammenhang zwischen der Stellgröße x_j und der Weglängenänderung ΔS die auf die jeweilige Wellenlänge normierte Differenz zwischen a) dem Brechungsindex der verlängerten und/oder verkürzten Wellenleiter und/oder des Elements und b) dem Brechungsindex des die Anordnung umgebenden Mediums umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1.000.000 nm, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 3.000 nm besonders bevorzugt im Bereich 350 bis 1.550 liegen und/oder ausgewählt sind aus den Wellenlängen 450 nm, 530 nm, 620 nm, 630 nm, 638 nm, 920 nm, 1.330 nm und 1.550 nm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als Bildwellenleiter und/oder als ein mindestens zwei optische Fasern und/oder als ein 100 bis 100.000 optische Fasern umfassendes Bündel Lichtwellenleiter ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation von Phasenstörung und/oder die Implementation einer Funktion, welche die Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert durch ein statisches Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist und/oder durch ein adaptives Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist, erfolgt, wobei ein reflektives Element von dem jeweiligen Ende der Anordnung, hinter welchem es positioniert ist, beabstandet positioniert ist und durch Reflexion elektromagnetischer Strahlung der mindestens zwei Wellenlängen aus einem geeigneten Einfallswinkel, eine Phasenmaske auf das jeweilige Ende der Anordnung abbildet, wobei das adaptive Element als Flächenlichtmodulator ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Verlängerung ausgewählter Wellenleiter zur Kompensation von Phasenstörung und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert durch eine additive Fertigung auf die ausgewählten Wellenleiter am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der Anordnung erfolgt und/oder dass - die Verkürzung ausgewählter Wellenleiter zur Kompensation der Phasenstörung und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert durch Laser-Ablation und/oder durch Elektronenstrahlablation der ausgewählten Wellenleiter am ersten Ende und/oder dem zweiten Ende der Anordnung erfolgt und/oder dass - das Bereitstellen des Elements am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der Anordnung durch eine additive Fertigung auf einem Element-Rohling und/oder durch Laser-Ablation und/oder durch Elektronenstrahlablation eines Element-Rohlings erfolgt und/oder - das Bereitstellen des Elements an dem ersten Ende und/oder dem zweiten Ende des jeweiligen Wellenleiters durch Fertigung von Metaoptiken erfolgt, wobei die Metaoptiken dadurch gekennzeichnet sind, dass sie Strukturen aufweisen, deren Durchmesser kleiner als die kleinste der Wellenlängen sind.
Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Fertigung Ein-Photon-Polymerisation und/oder Zwei-Photonen-Polymerisation und/oder Mehr-Photonen-Polymerisation umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Teilschritt b) i) entweder mittels Weißlichtinterferometrie oder mittels digitaler Holographie und/oder eines Phase-Retrieval-Verfahrens erfolgt.
Vorrichtung zur Kompensation von elektromagnetischer Phasenstörung von mindestens zwei Wellenlängen einer Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter j und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert, umfassend eine Anordnung von mindestens zwei elektromagnetischen Wellenleitern, dadurch gekennzeichnet, dass - die Vorrichtung ein Element zur Kompensation von Phasenstörung und/oder zur Implementation einer Funktion, welche Ausbreitungsrichtungen elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt in die und/oder aus der Anordnung ändert und/oder durch an einem ersten Ende und/oder einem zweiten Ende der Anordnung derart moduliert ist, dass das Element entlang der elektromagnetischen Ausbreitungsrichtung eines oder mehrerer ausgewählter Wellenleiter eine Stellgröße x_{j_fmin} aufweist, und/oder - Die Vorrichtung dadurch moduliert ist, dass die Anordnung eine Verkürzung und/oder Verlängerung der ausgewählten Wellenleiter aufweist, wobei für jeden der ausgewählten Wellenleiter die Verkürzung und/oder Verlängerung eine Stellgröße x_{j_fmin} aufweist, wobei die Stellgröße x_{j_fmin} durch Teilschritte b) i) bis v) des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 12 ermittelt ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße x_j einen funktionalen Zusammenhang mit einer Weglängendifferenz ΔS_j und/oder b) einer elektrischen Spannung U_j und/oder c) einer elektrischen Stromstärke I_j und/oder d) einer Strompulsweite P_Ij, und/oder e) einer Spannungspulsweite P_Uj und/oder f) einer Temperatur T_j und/oder g) einen SLM-Grauwert aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Wellenlängen in einem Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 1.000.000 nm, bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 3.000 nm, besonders bevorzugt im Bereich 350 nm bis 1.550 nm liegen und/oder ausgewählt sind aus den Wellenlängen 450 nm, 520 nm, 530 nm, 638 nm, 920 nm, 1.330 nm und 1.550 nm.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung elektromagnetischer Wellenleiter als Bildwellenleiter ausgebildet ist, und/oder als ein mindestens zwei optische Fasern und/oder als ein 100 bis 100.000 optische Fasern umfassendes Bündel Lichtwellenleiter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein statisches Element ist, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist und/oder ein adaptives Element, welches entweder ein transmissives oder ein reflektives Element ist, wobei ein reflektives Element von dem jeweiligen Ende der Anordnung, hinter welchem es positioniert ist, beabstandet positioniert ist und durch Reflexion elektromagnetischer Strahlung der mindestens zwei Wellenlängen aus einem geeigneten Einfallswinkel, eine Phasenmaske auf das jeweilige Ende der Anordnung abbildet, wobei das adaptive Element als Flächenlichtmodulator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein statisches Element ist, wobei das Element entlang der elektromagnetischen Ausbreitungsrichtung jedes der ausgewählten Wellenleiter einen Weglängenänderung ΔS_j bezüglich zu einer Referenzweglänge aufweist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Elements zur Kompensation der Phasenstörung der ausgewählten Wellenleiter am ersten Ende und/oder am zweiten Ende der jeweiligen Wellenleiters Metaoptiken umfasst, wobei die Metaoptiken dadurch gekennzeichnet sind, dass sie Strukturen umfassen, deren Durchmesser kleiner als die kleinste der Wellenlängen sind.
Verwendung eines Verfahrens nach den Patentansprüchen 1 bis 12 und/oder einer Vorrichtung nach den Patentansprüchen 13 bis 19 in der Mikroskopie, der STED-Mikroskopie, der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie, der konfokalen Bildgebung, der nichtlinearen Bildgebung, der konfokalen Autofluoreszenzmikroskopie, der optischen Kohärenztomographie, der Spektroskopie, der multispektralen Bildgebung, der strukturierten Beleuchtung, der Optogenetik, der Laserablation, optischen Fallen, und/oder in der Endoskopie, der multispektralen Endoskopie, und/oder der STED-Endoskopie.