DE60121746T2

DE60121746T2 - Bildaufnahmeeinrichtung

Info

Publication number: DE60121746T2
Application number: DE60121746T
Authority: DE
Inventors: Masatoshi Hamamatsu-shi FUJIMOTO; Shinichiro Hamamatsu-shi Aoshima; Makoto Hamamatsu-shi HOSODA
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-03-17
Also published as: US20030095255A1; JP2001311877A; WO2001084208A1; US7046360B2; DE60121746D1; AU4117301A; EP1278091A4; EP1278091B1; EP1278091A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren wurde dem Phänomen der Änderung des Brechungsindex bei einem Medium, das mit Laserlicht hoher Intensität bestrahlt wird, viel Aufmerksamkeit geschenkt. Dieses Phänomen verursacht eine Veränderung in einem Lichtspektrum, wenn das Laserlicht in das Medium eingekoppelt wird. Wenn man weiß, an welcher Position in dem Medium eine solche Änderung in einem Spektrum vorkommt, so ist dies für die Analyse des Phänomens sehr nützlich.
Andererseits gibt es die bekannte Technologie, die Laserrastermikroskope betrifft. Die Laserrastermikroskope sind Vorrichtungen, die so konfiguriert sind, dass sie aus einer optischen Faser austretendes Laserlicht auf ein Objekt fokussieren, über eine andere Faser vom Objekt kommende Fluoreszenz empfangen und diese dort hindurch zu einem Detektor leiten und ein Bild erhalten können, indem sie zum Scannen das Objekt oder das Bilderzeugungssystem bewegen. Der gesamte Bereich des Objektes wird mithilfe einer Photodiode als Detektor gescannt, um ein Bild zu erhalten, und die Fluoreszenz wird wieder an einem entsprechenden Punkt auf dem Bild abgetastet und zu einem Spektroskop geleitet.
Eine solche Vorrichtung wird in „THEORY AND PRACTICE OF SCANNING OPTICAL MICROSCOPY" von Tony Wilson & Colin Sheppard (Academic Press, England, 1984, S. 173–175) und "New Optical Microscopes", S. 31, betreut von Tetsuya Fujita und herausgegeben von Satoru Kawada, Gakusai Kikaku K. K., beschrieben.
Es gibt auch einige bekannte Techniken, bei denen Licht entsprechend einem bestimmten Punkt im Mikroskopfeld ausgekoppelt und ein Spektrum davon gemessen wird. Bei dem gewöhnlichen Mikroskopsystem wird von einem optischen Objektivsystem kollimiertes Licht von einem Licht zerlegenden optischen System in zwei Strahlen zerlegt, ein Strahl wird durch ein optisches Bilderzeugungssystem zu einer Kamera geleitet, und der andere Strahl wird auf ähnliche Weise durch ein optisches Bilderzeugungssystem zu einer optischen Faser geleitet. Es wird vorläufig festgelegt, welcher Punkt auf Pixeln der Kamera der Position der Stirnfläche der optischen Faser (einer Öffnung) entspricht, und dieser Punkt wird auf einem von der Kamera erhaltenen Bild markiert, wodurch die Position und das von der optischen Faser abgetastete Licht in Übereinstimmung gebracht werden können.
Zum Beispiel wird ein XY-Tisch verfahren, um einen entsprechenden Punkt zu der auf dem Bild markierten Position zu bringen, und der entsprechende Punkt wird belichtet. Eine solche Vorrichtung wird in dem oben genannten Dokument beschrieben [Tony Wilson & Colin Sheppard, THEORY AND PRACTICE OF SCANNING OPTICAL MICROSCOPY, Academic Press, England, 1984, S. 176–77].
JP-A-08114753 beschreibt eine Bildanzeigevorrichtung, die den allgemeinen Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung betrifft.
OFFENLEGUNG DER ERFINDUNG
Bei der konventionellen Bilderzeugungsvorrichtung wird jedoch der Spektrumsmesspunkt in dem Bild aus der Fahrposition des XY-Tisches bestimmt, und somit ist eine genaue Messung schwierig, wenn beim Verfahren des XY-Tisches ein Fehler auftritt. Die vorliegende Erfindung kam angesichts dieses Problems zustande, und eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bilderzeugungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein ankommendes Lichtbild aufnehmen und einen Lichtstrahl an einer bestimmten Position in dem ankommenden Lichtbild unabhängig davon erfassen kann, ob ein mechanischer Fehler hinsichtlich der Öffnung vorliegt.
Um das oben genannte Problem zu lösen, wird eine Bilderzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Eine Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst Teilungsmittel für das Teilen eines Eingabelichtbildes in ein erstes und ein zweites Lichtbild, die dem Eingabelichtbild entsprechen, eine Bildaufnahmeeinrichtung für das Fokussieren des ersten Lichtbildes auf eine Bildaufnahmefläche davon und das Aufnehmen des ersten Lichtbildes, eine Öffnung, die sich an einer Bildposition in dem zweiten Lichtbild befindet und an einer bestimmten Position in dem zweiten Lichtbild einen Strahl durchlässt, einen Erfassungsabschnitt für das Erfassen des Strahls aus der bestimmten Position, der die Öffnung in einer ersten Richtung passiert hat, und einen lichtemittierenden Abschnitt für das Emittieren eines Lagebestimmungsstrahls, der die Öffnung in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung passiert, wobei das Teilungsmittel so angeordnet ist, dass der Lagebestimmungsstrahl, der die Öffnung in der entgegengesetzten Richtung passiert hat, auf eine Position in dem ersten Lichtbild auf der Bildaufnahmefläche fällt, die der bestimmten Position in dem zweiten Lichtbild entspricht.
Da diese Vorrichtung einen Aufbau aufweist, bei dem der Erfassungsabschnitt den Strahl erfasst, der die Öffnung in der ersten Richtung passiert, und der Lagebestimmungsstrahl, der die Öffnung in der entgegengesetzten Richtung passiert hat, auf die Position in dem ersten Lichtbild auf der Bildaufnahmefläche fällt, die der bestimmten Position in dem zweiten Lichtbild entspricht, gibt das Ergebnis des an dem Erfassungsabschnitt erfassten Strahls Daten an der bestimmten Position in dem ankommenden Lichtbild an, die von dem Lagebestimmungsstrahl bestimmt wird. Das erste Lichtbild und der Lagebestimmungsstrahl können gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten auf die Bildaufnahmefläche fallen.
Der Erfassungsabschnitt umfasst vorzugsweise ein Spektroskop, in das der Strahl aus der bestimmten Position geleitet wird, und einen Photodetektor, der eine Ausgabe von dem Spektroskop empfängt, wobei das Spektroskop, wie beispielsweise ein Beugungsgitter, ein Prisma oder dergleichen, den Strahl in ein Spektralmuster zerlegt, und der Photodetektor empfängt es und gibt ein elektrisches Signal aus, das der spektralen Intensität entspricht. Bei dem Photodetektor kann es sich um eine einzelne Photodiode oder eine Art CCD- oder MOS-Bildsensor handeln.
Das Teilungsmittel umfasst vorzugsweise Folgendes: einen Halbspiegel, auf den das Eingabelichtbild fällt und der das Eingabelichtbild reflektiert und transmittiert und das erste und das zweite Lichtbild ausgibt, ein erstes optisches Bilderzeugungssystem für das Fokussieren eines der Lichtbilder, die von dem Halbspiegel reflektiert und transmittiert werden, als erstes Lichtbild, ein reflektierendes optisches System, das sich in einer Bildposition des ersten Lichtbildes befindet, und ein zweites optisches Bilderzeugungssystem für das Empfangen des ersten Lichtbildes, das von dem reflektierenden optischen System reflektiert wird, über das erste optische Bilderzeugungssystem und den Halbspiegel und das Fokussieren des ersten Lichtbildes auf die Bildaufnahmefläche. In diesem Fall wird der durch die Öffnung in der zu der Ausgaberichtung des zweiten Lichtbildes entgegengesetzten Richtung einfallende Lagebestimmungsstrahl von dem Halbspiegel reflektiert oder transmit tiert, so dass er durch das zweite optische Bilderzeugungssystem auf die Bildaufnahmefläche fällt.
Des Weiteren kann das Teilungsmittel anstelle des Halbspiegels Folgendes umfassen: einen polarisierenden Strahlenteiler und ein erstes und ein zweites Polarisationsumwandlungselement, die auf der Eingabeseite des Eingabelichtbildes in dem polarisierenden Strahlenteiler und zwischen diesem und dem ersten optischen Bilderzeugungssystem angeordnet sind. In diesem Fall ändert sich die Richtung der Polarisation, während der Strahl das erste Polarisationsumwandlungselement, den polarisierenden Strahlenteiler und das zweite Polarisationsumwandlungselement passiert. Das erste Lichtbild, das von dem reflektierenden optischen System reflektiert wird, wird, anders als das erste Lichtbild, das in das reflektierende optische System eintritt, von dem polarisierenden Strahlenteiler transmittiert oder reflektiert. Wenn es sich bei dem in den polarisierenden Strahlenteiler fallenden Lagebestimmungsstrahl um linear polarisiertes Licht mit einer vorgegebenen Polarisationsrichtung handelt, dann ist es möglich, im Vergleich zu dem Halbspiegel das Verhältnis des in Richtung der Bildaufnahmeeinrichtung austretenden Strahls zu optimieren und den Reflexionsgrad und den Transmissionsgrad von Licht variabel zu steuern. Es ist ebenso möglich, den Halbspiegel mit polarisierenden Eigenschaften zu versehen.
Bei dem Eingabelichtbild handelt es sich vorzugsweise um von einem mit Beleuchtungslicht belichteten Objekt reflektiertes oder transmittiertes Licht, es kann sich aber auch um zu Pumplicht ausgestrahltes Prüflicht handeln, das in einem bestimmten Medium eine Veränderung verursacht, oder um zu einem bestimmten Medium ausgestrahltes Prüflicht, wobei von dem Pumplicht eine Veränderung verursacht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm einer Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein System-Blockdiagramm, das ein bevorzugtes Beispiel für die Bilderzeugungsvorrichtung zeigt.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein weiteres Beispiel für einen Hauptteil des Teilungsmittels 2 in 2 zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, die einen modifizierten Teil der Bilderzeugungsvorrichtung zeigt, bei der es sich bei dem Objekt O in 1 um das oben genannte bestimmte Medium handelt.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Es wird nun nachfolgend die Bilderzeugungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Die gleichen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Elemente, und auf eine überflüssige Beschreibung wird verzichtet.
1 ist ein Blockdiagramm der Bilderzeugungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Objekt O gibt ein Lichtbild aus, das Bild des Objekts O (das nachfolgend als Eingabelichtbild bezeichnet wird) passiert ein optisches Kollimationssystem 1 und wird in kollimiertes Licht umgewandelt, und das kollimierte Licht fällt auf das Teilungsmittel 2. Das Teilungsmittel 2 teilt das Eingabelichtbild in ein erstes und ein zweites Lichtbild IM1, IM2, bei denen es sich um Bilder handelt, die mit dem Eingabelichtbild identisch sind. Es soll eine bestimmte Position in dem Eingabelichtbild als (x, y) definiert werden.
Das erste Lichtbild IM1, das aus dem Teilungsmittel 2 austritt, wird zu einer Bildaufnahmeeinrichtung 3 geleitet, und die Bildaufnahmeeinrichtung 3 nimmt das erste Lichtbild IM1 auf, das auf eine Bildaufnahmefläche 3a davon fokussiert ist. Die Bildaufnahmeeinrichtung 3 gibt ein Videosignal V des ersten Lichtbildes IM1 aus, und das Videosignal V wird in einen Computer 10 geleitet. Das Vergrößerungsverhältnis, die Verzerrung usw. dieses Bildes werden von den Eigenschaften der verwendeten Optik bestimmt. Bei der Bildaufnahmeeinrichtung 3 kann es sich um eine CCD-Kamera und insbesondere entweder eine gekühlte CCD-Kamera, eine ICCD-Kamera, eine EB-CCD-Kamera usw. handeln.
Ein zweites Lichtbild IM2, das aus dem Teilungsmittel 2 austritt, passiert ein optisches Bilderzeugungssystem 4 und wird an der Position des Brennpunktes davon fokussiert. An der Bildposition des zweiten Lichtbildes IM2 befindet sich eine Öffnung 5, die an der bestimmten Position (x, y) in dem zweiten Lichtbild IM2 einen Strahl durchlässt. Der Strahl L_F aus der bestimmten Position (x, y), der die Öffnung 5 in einer ersten Richtung passiert hat, wird durch das zweite Teilungsmittel 7 zu einem Erfassungsabschnitt 9 geleitet und von diesem erfasst. Die Öffnung 5 kann in der XY-Ebene bewegt werden und ist so ausgelegt, dass sie von einem Antriebsmechanismus 6 bewegt werden kann. Der Antriebsmechanismus 6 wird einem Steuersignal C aus einem Computer 10 entsprechend angesteuert. Die bestimmte Position (x, y) zeigt Koordinaten in dem Eingabelichtbild auf der Bildebene (XY-Ebene) an, einschließlich der Öffnung 5. Der Erfassungsabschnitt 9 gibt dem Strahl L_F aus der bestimmten Position (x, y) entsprechend ein elektrisches Signal S aus, und dieses Signal wird in den Computer 10 geleitet. Es ist wichtig, die die Position betreffende Beziehung zwischen der Öffnung 5 und dem Erfassungsabschnitt 9 festzulegen, und dies lässt sich zum Beispiel durch die Verwendung einer optischen Faser oder dergleichen gut umsetzen.
Die Vorrichtung ist mit einem lichtemittierenden Abschnitt 8 für das Emittieren eines Lagebestimmungsstrahls L_B ausgestattet, der die Öffnung 5 in der der oben genannten ersten Richtung entgegengesetzten Richtung passiert. Und zwar wird der Lagebestimmungsstrahl L_B, der von dem lichtemittierenden Abschnitt 8 emittiert wird, durch das zweite Teilungsmittel 7 in die Öffnung 5 geleitet und dann von dort ausgegeben. Der Lagebestimmungsstrahl L_B, der die Öffnung 5 in der entgegengesetzten Richtung passiert hat, wird durch das optische Bilderzeugungssystem 4 und das Teilungsmittel 2 zu der Bildaufnahmeeinrichtung 3 geleitet. Genauer beschrieben fällt der Lagebestimmungsstrahl L_B an der Position (x, y) in dem ersten Lichtbild IM1 auf die Bildaufnahmefläche 3a, die der bestimmten Position (x, y) in dem zweiten Lichtbild IM2 entspricht. Anders ausgedrückt ist das Teilungsmittel 2 so angeordnet, dass der Lagebestimmungsstrahl L_B, der die Öffnung 5 in der entgegengesetzten Richtung passiert hat, an der Position (x, y) in dem ersten Lichtbild IM1 auf die Bildaufnahmefläche 3a fällt, die der bestimmten Position (x, y) in dem zweiten Lichtbild IM2 entspricht.
Es ist hier auf ähnliche Weise wünschenswert, die die Position betreffende Beziehung zwischen dem lichtemittierenden Abschnitt 8 und der Öffnung 5 festzulegen, und dies lässt sich zum Beispiel durch die Verwendung einer optischen Faser oder dergleichen gut umsetzen.
Da die Bilderzeugungsvorrichtung einen Aufbau aufweist, bei dem der Erfassungsabschnitt 9 den Strahl L_F erfasst, der die Öffnung 5 in der ersten Richtung passiert hat, und der Lagebestimmungsstrahl L_B, der die Öffnung 5 in der entgegengesetzten Richtung passiert hat, auf die Position (x, y) in dem ersten Lichtbild IM1 auf der Bildaufnahmefläche 3a fällt, die der bestimmten Position (x, y) in dem zweiten Lichtbild IM2 entspricht, ist es ohne Weiteres verständlich, dass das Ergebnis der Erfassung des an dem Erfassungsabschnitt 9 erfassten Strahls L_F Daten anzeigt, die mit der bestimmten Position (x, y) in dem ankommenden Lichtbild verbunden sind, die auf dem ersten Lichtbild IM1 von dem Lagebestimmungsstrahl L_B bezeichnet wird.
Das erste Lichtbild IM1 und der Lagebestimmungsstrahl L_B können gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten auf die Bildaufnahmefläche 3a der Bildaufnahmeeinrichtung 3 fallen. Um Hintergrundlicht zu unterdrücken, wird vorzugsweise der Lagebestimmungsstrahl L_B während der Erfassung des Strahls L_F an dem Erfassungsabschnitt 9 ausgeschaltet.
Der Computer 10 speichert das erste Lichtbild IM1 (Eingabelichtbild) und die Einfallsposition (x, y) des Lagebestimmungsstrahls L_B auf der Bildaufnahmefläche 3a sowie in Verbindung damit das Signal S aus dem Erfassungsabschnitt 9. Durch Bewegen der Öffnung 5 in der abzutastenden XY-Ebene kann man zum Beispiel einfach eine Position (x, y) in dem Eingabelichtbild bestimmen, um ein Signal S zu gewinnen, das dieser Position entspricht.
Die Bilderzeugungsvorrichtung kann das ankommende Lichtbild mithilfe der Bildaufnahmeeinrichtung 3 aufnehmen und die bestimmte Position (x, y) in dem ankommenden Lichtbild mithilfe des in die Bildaufnahmeeinrichtung 3 fallenden Lagebestimmungsstrahls L_B bestimmen (unabhängig davon, ob es bei der Öffnung 5 einen mechanischen Fehler gibt) und den Strahl in dieser Position mithilfe des Erfassungsabschnittes 9 erfassen.
2 ist ein System-Blockdiagramm, das ein bevorzugtes Beispiel für die oben genannte Bilderzeugungsvorrichtung zeigt. Bei diesem Beispiel handelt es sich bei dem Eingabelichtbild um reflektiertes Licht oder transmittiertes Licht von dem Objekt O, das mit Beleuchtungslicht belichtet wird.
Das Eingabelichtbild wird von einer Kollimatorlinse (z.B. einer Objektivlinse) 1a in kollimiertes Licht umgewandelt, das kollimierte Licht wird von einem Halbspiegel 2a (als das erste Lichtbild IM1) reflektiert, das reflektierte Licht wird an der Brennpunktposition von einem optischen Bilderzeugungssystem 2b fokussiert, das Licht wird dann von einem am Brennpunkt angeordneten reflektierenden optischen System (einem Flächenreflektor) 2c reflektiert, das reflektierte Licht passiert dann das optische Bilderzeugungssystem 2b in der entgegengesetzten Richtung und wird in einen parallelen Strahl umgewandelt, der parallele Strahl passiert danach den Halbspiegel 2a, und der Strahl wird dadurch am Brennpunkt eines optischen Bilderzeugungssystems 2d fokussiert. Die Bildaufnahmeeinrichtung 3 wird an dieser Bildposition angeordnet, und das erste Lichtbild IM1 wird auf die Bildaufnahmefläche 3a davon fokussiert. Bei dem optischen Bilderzeugungssystem 2b, 2d kann es sich um Kameralinsen mit unendlicher Brennweite handeln.
Andererseits fällt das von der Kollimatorlinse 1a kollimierte und von dem Halbspiegel 2a transmittierte Licht (das zweite Lichtbild IM2) in seinem kollimierten Zustand in ein optisches Bilderzeugungssystem 4a und wird an dessen Brennpunktposition fokussiert. Bei dem optischen Bilderzeugungssystem 4a kann es sich um eine Kameralinse mit unendlicher Brennweite handeln. Eine Stirnfläche einer optischen Faser F5 als Öffnung 5 befindet sich an der Bildposition. Die optische Faser F5 wird von dem XY-Tisch 6a und der Haltevorrichtung 6b, die einen Antriebsmechanismus (eine Positionsveränderungsvorrichtung für die optische Faser) 6 darstellt, in der XY-Ebene (einer parallel zur Bildebene verlaufenden Ebene, die durch die beiden orthogonalen Achsen X, Y festgelegt wird) bewegt. Und zwar hält die Haltevorrichtung 6b einen Endabschnitt der optischen Faser F5, und die Stirnfläche 5 der Faser bewegt sich, wenn der XY-Tisch 6a die Haltevorrichtung 6b in der XY-Ebene bewegt. Zum Steuern dieser Bewegung ist es ebenfalls möglich, den XY-Tisch 6a mit einer elektrischen Antriebseinrichtung auszustatten und von außen das Steuersignal C zuzuführen, um den XY-Tisch 6a anzusteuern.
Der Strahl L_F, der die optische Faser F5 passiert hat, fällt durch einen optischen Koppler 7 in ein Spektroskop 9a und wird in seine Spektralanteile zerlegt, die auf einen Photodetektor 9b fallen. Und zwar besteht der Erfassungsabschnitt 9 aus dem Spektroskop 9a, in das der Strahl L_F aus der bestimmten Position (x, y) geleitet wird, und dem Photodetektor 9b, der einen Ausgangswert aus dem Spektroskop 9a empfängt. Der Strahl L_F wird von dem Spektroskop 9a, wie beispielsweise einem Beugungsgitter, einem Prisma oder dergleichen, spektral (nach Wellenlängen) aufgelöst, der Photodetektor 9b empfängt das entstehende Muster und gibt ein elektrisches Signal aus, das der spektralen Intensität entspricht. Bei dem Photodetektor 9b kann es sich um eine einzelne Photodiode handeln, und er kann auch eine Art CCD- oder MOS-Bildsensor sein. Diese werden jeweils dem Dynamikbereich der Intensität des erfassten Lichts oder dergleichen entsprechend ausgewählt.
Der lichtemittierende Abschnitt 8 ist beispielsweise aus einer Laserdiode 8a und einem Dämpfungsglied 8b aufgebaut, die über eine optische Faser F8a verbunden sind, und von dem Dämpfungsglied 8b ausgegebenes Licht wird durch eine optische Faser F8b in den optischen Koppler 7 geleitet. Der Dämpfungsfaktor des Dämpfungsgliedes 8b wird justiert, während die Intensität des Öffnungsbildes auf der Bildaufnahmefläche von der Bildaufnahmeeinrichtung 3 überwacht wird.
Der optische Koppler 7 kann aus einem optischen Zirkulator oder einem optischen Schalter für das Umschalten des Passierens von Strahlen bestehen. Der Lagebestimmungsstrahl L_B, der aus dem lichtemittierenden Abschnitt 8 austritt, wird durch den optischen Koppler 7 und aus der Öffnung 5 heraus geleitet, er wird dann von dem optischen Bilderzeugungssystem 4a in einen parallelen Strahl umgewandelt, und der parallele Strahl wird von dem Halbspiegel 2a so reflektiert, dass er durch das optische Bilderzeugungssystem 2d auf die Bildaufnahmefläche 3a der Bildaufnahmeeinrichtung 3 fällt. Und zwar bildet das optische Bilderzeugungssystem 2d ein Bild der Öffnung 5 (das Öffnungsbild) auf der Bildaufnahmefläche 3a.
Die relative Größe des Eingabelichtbildes und des Öffnungsbildes auf der Bildaufnahmefläche 3a ist nicht von dem Vergrößerungsverhältnis des optischen Bilderzeugungssystems 2d abhängig. Andererseits verringert sich mit steigendem Vergrößerungsverhältnis des optischen Bilderzeugungssystems 4a der Flächenbereich des zur Öffnung 5 geleiteten Strahls, und das Öffnungsbild auf der Bildaufnahmefläche 3a wird ebenfalls kleiner. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das optische Bilderzeugungssystem 4a so ausgelegt, dass es hinsichtlich des Vergrößerungsverhältnisses (der Vergrößerung) variabel ist, so dass eine Veränderung bei dem Flächenbereich dieser Bilder möglich ist.
Wenn statt der Öffnung 5 ein reflektierendes optisches System auf der Bildebene des optischen Bilderzeugungssystems 4a angeordnet wird, bildet ein Teil des reflektierten Lichts ein Bild, das dem zweiten Lichtbild IM2 auf der Bildaufnahmefläche 3a entspricht. Die optischen Systeme werden vorläufig so justiert, dass das so gebildete Bild vollständig mit dem ersten Lichtbild IM1 übereinstimmt. Und zwar enthält das auf der Bildaufnahmefläche 3a fokussierte Bild aus dem Strahl L_B, der aus der Öffnung 5 auf die Bildebene des optischen Bilderzeugungssystems 3a emittiert wird, Informationen über die Position des Bildes des Objekts O auf der Bildebene, und diese Informationen können extrahiert werden, indem das Öffnungsbild (das Kernbild der optischen Faser F5) gleichzeitig mit dem ersten Lichtbild IM1 auf der Bildaufnahmefläche 3a aufgenommen und die Punktposition (Öffnungsbild) auf diesem Bild beobachtet wird. Dadurch kann die Wellenlänge, die Intensität usw. des an dem Erfassungsabschnitt 9 ausgekoppelten Lichts gemessen werden, während die Position genau überwacht wird, an der das Licht bei dem Objekt O ausgekoppelt und gemessen wird. Die Größe des oben genannten Punktes ist von dem Bereich abhängig, aus dem das Licht bei dem Objekt O ausgekoppelt wird.
Das vorliegende Beispiel beschrieb ein Beispiel, bei dem das Licht aus der bestimmten Position, das die Öffnung passiert hat, mithilfe des Spektroskops und des Photodetektors erfasst wurde, das Erfassungsverfahren muss jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt sein. So kann beispielsweise mithilfe einer schnellen Photodiode und eines Oszilloskops eine temporale Wellenform untersucht werden. Ein weiteres mögliches Beispiel würde darin bestehen, dass die Öffnung schlitzförmig ist und eine Streifenkamera dafür benutzt wird, jeweils eine eindimensionale temporale Wellenform zu erhalten. Ein weiteres mögliches Beispiel ist die Messung mithilfe der FROG-Technik (Frequency Resolved Optical Gating), die in J. opt. Soc. Am. B/Bd. 11, Nr. 11, S. 2206–2215, 1994, beschrieben wird.
Das oben genannte Beispiel verwendete die Konfiguration, bei der der zuerst von dem Halbspiegel 2a reflektierte Strahl als das erste Lichtbild IM1 und der durchgelassene Strahl als das zweite Lichtbild IM2 definiert wurde, die Beziehung dieser reflektierten und durchgelassenen Strahlen kann jedoch umgekehrt sein. Von den optischen Systemen 1a, 2b, 2d, 4a können zwei beliebige Systeme die telezentrische oder konjugierte Beziehung aufweisen.
Bei dem vorliegenden Beispiel besteht das Teilungsmittel 2 wie oben beschrieben aus dem Halbspiegel 2a, auf den das Eingabelichtbild fällt und der das Eingabelichtbild reflektiert und transmittiert und das erste und das zweite Licht bild IM1, IM2 ausgibt, dem ersten optischen Bilderzeugungssystem 2b für das Fokussieren eines der Lichtbilder, die von dem Halbspiegel 2a reflektiert und transmittiert werden, als erstem Lichtbild IM1, dem reflektierenden optischen System 2c, das sich an der Bildposition des ersten Lichtbildes IM1 befindet, und dem zweiten optischen Bilderzeugungssystem 2d für das Empfangen des ersten Lichtbildes IM1, das von dem reflektierenden optischen System 2c reflektiert wird, über das erste optische Bilderzeugungssystem 2b und den Halbspiegel 2a und das Fokussieren des ersten Lichtbildes IM1 auf die Bildaufnahmefläche 3a. In diesem Fall wird der von der Öffnung 5 aus in die zu der Austrittsrichtung des zweiten Lichtbildes IM2 entgegengesetzte Richtung fallende Lagebestimmungsstrahl L_B von dem Halbspiegel 2a reflektiert oder transmittiert, so dass er durch das zweite optische Bilderzeugungssystem 2d auf die Bildaufnahmefläche 3a fällt.
Wie bereits beschrieben wurde, können das erste Lichtbild IM1 und der Lagebestimmungsstrahl L_B zu unterschiedlichen Zeiten auf die Bildaufnahmefläche 3a der Bildaufnahmeeinrichtung 3 fallen. Um das Hintergrundlicht zu unterdrücken, wird vorzugsweise der Lagebestimmungsstrahl L_B während der Erfassung des Strahls L_F an dem Erfassungsabschnitt 9 ausgeschaltet. Für die Erfassung einer anderen Messposition an dem Erfassungsabschnitt 9 wird die Öffnung 5 verschoben, der Lagebestimmungsstrahl L_B wird dann durch die Öffnung 5 emittiert, damit das Öffnungsbild wieder auf die Bildaufnahmefläche 3a projiziert wird, und in einem Stadium davor oder während der Projektion wird der Strahl L_F an dem Erfassungsabschnitt 9 erfasst.
Der Flächenbereich des in die Öffnung 5 fallenden Lichts kann frei eingestellt werden, indem man den Durchmesser der Öffnung 5 oder die optische Konstante des optischen Bilderzeugungssystems 4a ändert. In diesem Fall kommt es zu keiner Änderung bei der zweidimensionalen Form des zweiten Lichtbildes IM2.
3 ist eine schematische Darstellung, die ein weiteres Beispiel für den Hauptteil des Teilungsmittels 2 in 2 zeigt. Und zwar umfasst das Teilungsmittel 2 bei dem vorliegenden Beispiel anstelle des Halbspiegels 2a einen polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' und ein erstes Polarisationsumwandlungselement 2a₁' und ein zweites Polarisationsumwandlungselement 2a₂', die auf der Eingabeseite des Eingabelichtbildes in dem polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' und zwischen dem polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' und dem ersten optischen Bilderzeugungssystem 2b angeordnet sind.
Hier lässt der polarisierende Strahlenteiler 2a₀' p-polarisiertes Licht durch und reflektiert s-polarisiertes Licht. Das erste Polarisationsumwandlungselement 2a₁' besteht aus einer Halbwellenlängenplatte und das zweite Polarisationsumwandlungselement 2a₂' aus einer Viertelwellenlängenplatte. Es sei angenommen, dass es sich bei dem Eingabelichtbild um linear polarisiertes Licht handelt und dieses in linear polarisiertes Licht mit beliebiger Polarisationsrichtung umgewandelt wird, das von dem ersten Polarisationsumwandlungselement 2a₁' transmittiert wird. Es wird nur die Polarisationskomponente des transmittierten Lichts von dem polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' reflektiert, die zu dem optischen Bilderzeugungssystem 2b hin emittiert werden soll. Da dieser Strahl zurückreflektiert wird, durchläuft er insgesamt zweimal das zweite Polarisationsumwandlungselement 2a₂' und wird in linear polarisiertes Licht mit einer um 90° gedrehten Polarisationsrichtung (oder in p-polarisiertes Licht) umgewandelt. Dann durchläuft er den polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' in Richtung des optischen Bilderzeugungssystems 2d.
Zur Erhöhung des Reflexionsgrades des ersten Lichtbildes IM1 in dem polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' wird der Grad der Übereinstimmung der obigen Polarisationsrichtung justiert (d.h. die S-Polarisationskomponente wird anteilsmäßig erhöht), um die Intensität des ersten Lichtbildes IM1 auf der Bildaufnahmefläche zu verstärken. Zur Erhöhung des Transmissionsgrades des zweiten Lichtbildes IM2 in dem polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' wird der Grad der Übereinstimmung der obigen Polarisationsrichtung justiert (d.h. die Polarisationskomponente wird anteilsmäßig erhöht), um die Intensität des zweiten Lichtbildes IM2 an der Öffnung 5 zu verstärken.
Um über ein breites Band hinweg eine zufriedenstellende Erfassung zu realisieren, sind das erste und das zweite Polarisationsumwandlungselement (Halbwellenlängenplatte und Viertelwellenlängenplatte) 2a₁', 2a₂' vorzugsweise von erster Ordnung. Bei dem zweiten Polarisationsumwandlungselement 2a₂' kann es sich auch statt der Viertelwellenlängenplatte um einen 45°-Polarisationsrotator handeln. Es ist ebenso möglich, ein Babinet-Soleil-Element einzusetzen.
Bei dem vorliegenden Beispiel variiert die Richtung der Polarisation, während der Strahl das erste Polarisationsumwandlungselement 2a₁', den polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' und das zweite Polarisationsumwandlungselement 2a₂' durchläuft. Das erste Lichtbild IM1, das von dem reflektierenden optischen System 2c reflektiert wird, wird anders als das zu dem reflektierenden optischen System 2c hin laufende von dem polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' transmittiert oder reflektiert. Wenn es sich bei dem in den polarisierenden Strahlenteiler 2a₀' fallenden Lagebestimmungsstrahl um linear polarisiertes Licht mit einer vorgegebenen Polarisationsrichtung handelt, dann ist es möglich, im Vergleich zu dem Halbspiegel 2a das Verhältnis des in Richtung der Bildaufnahmeeinrichtung 3 emittierten Strahls zu optimieren und den Reflexionsgrad und den Trans missionsgrad von Licht variabel zu steuern. Der Halbspiegel 2a kann mit den Polarisationsmerkmalen ausgestattet sein. Das aus der Öffnung 5 austretende Laserlicht wird in einer solchen Polarisationsrichtung ordnungsgemäß justiert, dass der Laserstrahl auf die Bildaufnahmeeinrichtung 3 fällt.
Bei dem oben genannten Eingabelichtbild kann es sich um Prüflicht bei Bestrahlung mit starkem gepulstem Licht (Pumplicht) handeln, das ein bestimmtes Medium erregen oder ändern kann.
4 ist eine schematische Darstellung, die einen modifizierten Abschnitt der Bilderzeugungsvorrichtung zeigt, bei der es sich bei dem Objekt O in 1 um das oben genannte bestimmte Medium handelt. Eine solche Konfiguration ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr 2000-283854 (Vorrichtung für die Erfassung von Photonenbahnen) beschrieben.
Es sei davon ausgegangen, dass es sich bei dem Objekt O beispielsweise um ein Gas oder eine Flüssigkeit in einer Quarzglaszelle oder um einen für das Pumplicht und das Prüflicht angemessen transparenten Feststoff handelt. Es sei angenommen, dass es sich bei dem Pumplicht um linear polarisiertes Licht handelt, bei dem der Vektor der elektrischen Feldstärke in der zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung verläuft, und bei dem Prüflicht um linear polarisiertes Licht, bei dem der Vektor der elektrischen Feldstärke in Bezug zur Zeichnungsebene in einem Winkel von 45° Grad verläuft. In diesem Fall variiert der Brechungsindex, wenn die Intensität des Pumplichts sehr hoch ist, in einem Bereich in dem Objekt O, in dem Pumplicht existiert, anisotrop, und der Polarisationszustand des Prüflichts variiert entsprechend einer Intensitätsverteilung des Pumplichts.
Wenn ein Analysator 1b so angeordnet wird, dass er nur die bezüglich der Polarisationsrichtung des einfallenden Prüflichts senkrechte Komponente durchlässt, lässt er nur Komponenten des Prüflichts passieren und in das Teilungsmittel 2 eintreten, die von dem Pumplicht moduliert worden sind. Und zwar handelt es sich bei einem zu diesem Zeitpunkt an der Bildaufnahmeeinrichtung 3 erhaltenen Bild um eine Darstellung der momentanen Intensitätsverteilung des Pumplichts. 4 zeigt eine Konfiguration, bei der der Analysator 1b hinter dem optischen Kollimationssystem 1a angeordnet ist, es ist jedoch ebenfalls möglich, eine hierzu umgekehrte Konfiguration einzusetzen (bei der der Analysator vor 1a angeordnet ist).
Diese Vorrichtung ist so ausgelegt, dass sie das Prüflicht in das Objekt O senkrecht zu und gleichzeitig mit dem Pumplicht einkoppelt, wodurch sie das momentane Profil des Pumplichts über den räumlichen Modulationseffekt an dem Prüflicht messen kann. Der Bereich, in dem Pumplicht existiert, befindet sich in der Brennebene des optischen Kollimationssystems 1a.
Wenn das Pumplicht sehr stark ist, dann setzt die Wirkung seines starken elektrischen Feldes und magnetischen Feldes das Objekt O aufgrund eines Durchschlags, einer Ablation, des nichtlinearen optischen Effekts usw. einer sehr schnellen Brechungsindexmodulation aus. Wenn das Prüflicht in diesen Bereich eingekoppelt wird, ändert die schnelle Brechungsindexmodulation das Spektrum des Prüflichts in ein Spektrum, das sich von dessen Einfallsspektrum unterscheidet. Diese Spektrumsänderung stellt lediglich den Prozess der Änderung bei dem Objekt O dar.
Und zwar ermöglicht die vorliegende Erfindung eine direkte Messung der Auswirkungen des Pumplichts auf das Objekt O an einer bestimmten Position in dem Pumplicht und zu einer bestimmten Zeit. Wenn ein Bild aufgenommen worden ist, kann der Analysator 1b um die Laufrichtung des Lichts gedreht werden. In diesem Fall kann der Erfassungsabschnitt 9 (2) Spektralverschiebungen des Prüflichts für mehrere Polarisationsrichtungen erfassen.
Abgesehen von der vorliegenden Ausführungsform muss nicht ausdrücklich erwähnt werden, dass es sich bei dem ersten Lichtbild um ein anderes Lichtbild handeln kann, beispielsweise eines, das sich durch Aufnehmen eines Schlierenbildes, eines Schattenbildes oder dergleichen erhalten lässt. Die Einfallsrichtungen des Pumplichts und des Prüflichts müssen nicht immer senkrecht zueinander verlaufen, sondern können einem Messobjekt entsprechend frei festgelegt werden. Des Weiteren müssen das Pumplicht und das Prüflicht nicht ganz genau zur gleichen Zeit eingekoppelt werden, sondern es ist ebenfalls möglich, beispielsweise eine solche Anordnung einzusetzen, bei der das Pumplicht zunächst eine gewisse Veränderung in dem bestimmten Medium verursacht und im Verlauf der Veränderung Prüflicht eingekoppelt wird, damit die Veränderungszustände des Mediums untersucht werden können.
Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht die Bilderzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung das Aufnehmen des ankommenden Lichtbildes und das Erfassen des Lichtstrahls an der bestimmten Position in dem ankommenden Lichtbild unabhängig davon, ob ein mechanischer Fehler hinsichtlich der Öffnung vorliegt.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung kann auf die Bilderzeugungsvorrichtung angewendet werden.

Claims

Bilderzeugungsvorrichtung, die Folgendes umfasst: Teilungsmittel (1, 2, 4) für das Teilen eines Lichtstrahls, der ein Eingabebild darstellt, in Lichtstrahlen, die ein erstes und ein zweites Bild (IM1, IM2) darstellen, die dem Eingabebild entsprechen, eine Bildaufnahmeeinrichtung (3) für das Aufnehmen des ersten Bildes, das auf eine Bildaufnahmefläche (3a) davon fokussiert ist, eine Öffnung (5), die sich in dem zweiten Bild (IM2) befindet und an einer ersten Position (x, y) in dem zweiten Bild (IM2) einen Strahl (L_F) durchlässt, einen Erfassungsabschnitt (9) für das Erfassen des Strahls (L_F), der die Öffnung (5) in einer ersten Richtung passiert hat, und einen lichtemittierenden Abschnitt (8) für das Emittieren eines Lagebestimmungsstrahls (L_B), der die Öffnung (5) in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung zum Teilungsmittel (2) hin passiert, wobei das Teilungsmittel (2) so angeordnet ist, dass es den Lagebestimmungsstahl (L_B) auf eine Position (x, y) in dem ersten Bild (IM1) auf der Aufnahmefläche (3a) fallen lässt, die der ersten Position (x, y) im zweiten Bild (IM2) entspricht.
Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Erfassungsabschnitt (9) ein Spektroskop (9a) umfasst, in das der Strahl (L_F), der die Öffnung (5) passiert hat, geleitet wird, und einen Photodetektor (9b), der eine Ausgabe von dem Spektroskop (9a) empfängt.
Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Teilungsmittel (2) Folgendes umfasst: einen Halbspiegel (2a), auf den der Lichtstrahl, der das Eingabebild darstellt, fällt und der den Lichtstrahl reflektiert und transmittiert und die Lichtstrahlen ausgibt, die das erste und das zweite Bild (IM1, IM2) darstellen, ein erstes optisches Bilderzeugungssystem (2b) für das Fokussieren eines der Lichtstrahlen, die von dem Halbspiegel (2a) reflektiert und transmittiert werden, als erstes Bild (IM1), ein reflektierendes optisches System (2c), das sich in einer Zwischenbildposition des ersten Bildes (IM1) befindet, und ein zweites optisches Bilderzeugungssystem (2d) für das Empfangen des Lichtstrahls, der das erste Bild darstellt, das von dem reflektierenden optischen System (2c) reflektiert wird, über das erste optische Bilderzeugungssystem (2b) und den Halbspiegel (2a) und das Fokussieren des Lichtstrahls auf die Bildaufnahmefläche (3a).
Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Teilungsmittel (2) statt des Halbspiegels (2a) einen polarisierenden Strahlenteiler (2a₀') mit einem ersten und einem zweiten Polarisationsumwandlungselement (2a₁', 2a₂') umfasst, die auf der Eingabebildseite des polarisierenden Strahlenteilers (2a₀') zwischen diesem und dem ersten optischen Bilderzeugungssystem (2b) angeordnet sind.
Anordnung, die die Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Objekt (O) umfasst und durch Transmittieren oder Reflektieren von Licht aus einer Beleuchtungslichtquelle das Eingabebild erzeugt.
Anordnung, die die Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, eine Pumplichtquelle zum Bestrahlen eines Objektes (O) mit Pumplicht und eine Prüflichtquelle zum Bestrahlen des Objektes (O) mit Prüflicht, während es mit Pumplicht bestrahlt wird, umfasst, wodurch das Eingabebild erzeugt wird.
Anordnung, die die Bilderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, eine Pumplichtquelle zum Bestrahlen eines Objektes (O) mit Pumplicht und eine Prüflichtquelle zum Bestrahlen des Objektes (O), das mit Pumplicht bestrahlt worden ist, mit Prüflicht umfasst, wodurch das Eingabebild erzeugt wird.