DE3039496A1

DE3039496A1 - Optische einrichtung fuer die umverteilung von einfallender strahlung

Info

Publication number: DE3039496A1
Application number: DE19803039496
Authority: DE
Inventors: Albert Miramar Fla. Brunsting
Original assignee: Coulter Electronics Inc
Current assignee: Coulter Electronics Inc
Priority date: 1979-10-22
Filing date: 1980-10-20
Publication date: 1981-04-30
Also published as: GB2062282A; CA1147182A; US4327972A

Description

fatentanwälte

Di?i.-ing. E. Eder DipU-lng.K.Schieschke 8München40,E!isabethsUaBe34

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COULTER ELECTRONICS, INC. HIALEAH,FLORIDA,U.S.A.

Optische Einrichtung für die Umverteilung von einfallender Strahlung

Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung für die Umverteilung vcn einfallender Strahlung mit ungleichmäßiger Intensitätsverteilung auf eine resultierende Strahlung mit einer gewünschten Intensitätsverteilung in einem vorbestimmten Bereich einer Ausgangsebene.

Viele bekannte Fluß-Zytometer benutzen einen Laserstrahl für die Beleuchtung von Teilchen, welche in einem fließenden Medium suspendiert sind, um so auswertbare optische Signale zu erhalten. Diese Fluß-Zytometer verschwenden viel von dem teueren,hochwertigen einfallenden Licht. Optische Einrichtungen, welche die Formgebung* des Strahles beeinflussen, sammeln typischerweise das Licht des Lasers in eine schlitzartige Ellipse in demjenigen Gebiet, wo die Teilchen beleuchtet werden. Da es notwendig ist, die Teilchen mit einer relativ gleichförmigen_/hohen Intensität über den Bereich möglicher Durchgänge zu beleuchten, wird normalerweise nur ein sehr schmaler Zentralbereich des einfallenden Lichts benutzt, wie er in Fig. 5 durch den Bereich von (-a<X<+a) definiert ist, wobei a dem begrenzenden χ Koordinatenwert für einen Teilchendurchgang entspricht. Die unbenutzte Energie, die somit in den Seitenflügeln des Schlitzes verlorengeht, kann 8^°/o der Gesamtenergie für eine

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2 /oige Variation in der Intensität über den möglichen Teilchendurchgang ausmachen, und zwar unter der Voraussetzung, daß eine Gauß-Intensitäts-Verteilung über der x-Richtung der Fig. 5 auftritt. Wenn ein kleinerer Wert an Intensitätsänderung gefordert wird (z.B. 1 °/o), dann wird ein höherer Prozentsatz der einfallenden Energie nicht genutzt.

Daraus ist ersichtlich, daß ein Bedarf auf dem Gebiet der Zytologie für ein Zytometer besteht, welches mehr der verfügbaren Strahlungsenergie nutzt, wobei gleichzeitig vernachlässigbare oder sehr geringe Intensitätsvariationen über die möglichen Teilchendurchgänge auftreten sollen. Verallgemeinert ausgedrückt besteht ein Bedarf im optischen Bereich für die Umformung einer einfallenden Strahlung in eine Strahlung, welche eine gewünschte Intensitätsverteilung aufweist.

Einschlägiger Stand der Technik ist beschrieben in dem U.S.-Patent 3476463 (Kreuzer), dem U.S.-Patent 4128308 (McNaney), dem Datenblatt Kr. 512 vom Januar 1978 der Spawr Optical Research, Inc. sowie in dem Buch "Fluoreszenz-Technik in der Zellbiologie" von A.A. Thaer und M.Sernetz (Springer-Verlag 1973) Seite 80.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird,ausgehend von einer optischen Einrichtung der eingangs genannten Art, eine verbesserte Intensitätsverteilung dadurch erreicht, daß die optische Einrichtung eine Umlenkeinrichtung aufweist, die mit einem zentralen Bereich und einem peripheren Bereich versehen ist, wobei jeder dieser Bereiche für den Empfang eines Teils der einfallenden Strahlung ausgelegt und gestaltet ist, daß der zentrale Bereich so gestaltet ist, daß er die einfallende Strahlung den vorbestimmten Bereich der Ausgangsebene bestrahlen läßt, daß der periphere Bereich so gestaltet ist, daß er bestimmte Strahlen der einfallenden

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Strahlung auf bestimmte Stellen in dem vorgegebenen Bereich der Ausgangsebene lenkt, wobei iie bestimmten Stellen zusätzlich bestrahlt werden, um so die gewünschte Intensitätsverteilung in dem vorbestimmten Gebiet zu erhalten.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung geht aus von einer optischen Einrichtung für einen Teilchenanalysator, bei dem Teilchen zur Erzeugung auswertbarer Signale beleuchtet werden und eine Strahlungsquelle eine auftreffende Strahlung mit einer ungleichmäßigen Strahlungsverteilung für die Beleuchtung der Teilchen erzeugt. Diese optische Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkeinrichtung für die Umverteilung der einfallenden Strahlung zu einer resultierenden Strahlung vorgesehen ist, die eine im wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung in einer Ausgangsebene aufweist und daß die Ausgangsebene so positioniert ist, daß sie Teilchen enthält, wobei die Teilchen von der resultierenden Strahlung beleuchtet werden.

Die Erfindung ist auf eine optische Einrichtung gerichtet und auf ein Verfahren für die Verteilung einer einfallenden, gegliederten Strahlung, welche eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist. Das Ziel ist eine resultierende Strahlung zu erhalten, welche eine gewünschte Intensitätsverteilung aufweist. Die optische Einrichtung enthält eine umlenkende Oberfläche in der Form eines reflektierenden Spiegels oder einer brechenden Linsenoberfläche, welche spezifische Strahlen der einfallenden Strahlung auf spezifische Bereiche innerhalb einer Ausgangsebene lenkt, um dadurch die Ausgangsebene zu beleuchten. Das Ausmaß der optischen Beinflussung der einfallenden Strahlen durch die umlenkende Oberfläche ist eine Funktion der Richtung.der Dimensionen, der Energie und der Lage des einfallenden Strahlungsprofils und des gewünschten resultierenden Strahlungsprofils. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung treffen die Strahlen auf einen peripheren Bereich der TJm-

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lenk-Oberflache und werden auf bestimmte Punkte der Ausgangsebene gerichtet. Diese gleichen Punkte werden auch von spezifischen Strahlen beleuchtet, weiche durch den zentralen Teil der Umlenkeinrichtung hindurchgehen bzw. diesen treffen. Die Überlagerung von Strahlung aus dem peripheren Bereich und aus dem zentralen Bereich konzentriert die einfallende Strahlung und liefert dadurch die resultierende Strahlung, welche eine

in
gewünschte Intensitätsverteilung/der Ausgangsebene aufweist.

Bei anderen Ausführungsformen werden die meisten oder alle Strahlen, welche die umlenkende Oberfläche treffen, optisch modifiziert, um sie zu konzentrieren, und zwar ohne Überlappung in die resultierende Strahlung, welche dann die gewünschte Intensitätsverteilung in der Ausgangsebene aufweist.

Die vorstehend beschriebene Erfindung hat eine besondere, neue Anwendung bei den bekannten Texlchenanalysatoren, bei denen Teilchen beleuchtet werden, um auswertbare optische Signale zu erzeugen. Teilchenanalysatoren bekannter Art verschwenden viel von dem teueren, hochwertigen einfallenden Licht, weil dieses Licht eine ungleichmäßige Intensitätsverteiung aufweist. Das optische System nach der Erfindung verteilt dagegen das einfallende Licht, um eine im wesentlichen gleichförmige, hochintensitive Lichtvertoilung in der Ausgangsebene zu erreichen, wobei die zu beleuchtenden Teilchen in dieser Ausgangsebene enthalten sind. Die optische Einrichtung nach der Erfindung vermeidet es, den größten T-eil der Energie zu verschwenden, wobei sie zur gleichen Zeit sicherstellt, daß geringe Intensitäts-Ä'nderungen über die möglichen Teilchenbahnen auftreten. Die optische Einrichtung nach der Erfindung kann in analoger Weise auch für andere nützliche Anwendungsfälle herangezogen werden. Die Erfindung offenbart somit eine optische Einrichtung, welche die Umverteilung eines einfallenden Licht-Intensitätsprofils betrifft, um dadurch ein neues, erwünschtes Intensitätsprofil zu erhalten. Gemäß einer Anwendung der Erfindung dient die Konzentration des Lichtes in ein neues ge-

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wünschtes Intensitätsprofil der Beleuchtung von Teilchen.

Die Erfindung sowie ihre Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert» Es zeigen

Fig. 1 eine Ansicht der Strahlungsverteilung in einer Ebene eines Reflektors als Ausführuiigsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht einer Strahlungsuirilenkeinrichtung in einer Ebene einer Linse als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 2,

Fig. k eine Darstellung einer Strahlungs-Umlenkeinrichtung in einer Ebene einer anders ausgebildeten Linse als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung eines elliptischen Strahlungs-Profils für die Beleuchtung eines Stromes,

Fig. 6 eine einfallende Strahlungsverteilung mit einer entsprechenden, geänderten,resultierenden Verteilung,

Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung des Strahlungsprofils, nach-^dem die einfallende Strahlung gemäß der Erfindung für die Beleuchtung eines Stromes umverteilt wurde,

Fig. 8 eine einfallende Intensitätsverteilung mit einer entsprechenden resultierenden, geänderten Verteilung,

Fig. 9 noch eine weitere, einfallende Intensitätsverteilung mit einer korrespondierenden, resultierenden Verteilung,

Fig.10 eine Abwandlung der Auεführungsform nach Fig. 2,

Fig.11 eine Anzahl von zusammengehörenden einfallenden und resultierenden Intensitätsverteilungen,

Fig.12 eine Seitenansicht, welche eine besondere Anwendung für die Ausführungsform nach Fig. 2 darstellt,

Fig.13 eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 12,

Fig. 1^- in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform einer Linse, welche die Strahlungsumver-

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teilung der Linse nach Fig. 2 beinhaltet,

Fig.15 in perspektivischer Darstellung die Ausführungsform eines Reflektors, welcher die Strahlungsverteilung des Reflektors nach Fig. 1 verwirklicht,

Fig.16 eine Ausführungsform einer Linse in perspektivischer Darstellung, welche die Strahlungsverteilung der Linse nach Fig. k ergibt,

Fig.17 in Querschnittsdarstellung- ein kreisförmiges Strahlungsprofil für die Beleuchtung eines Stromes,

Fig.18 in Querschnittsdarstellung ein rechteckiges Strahlungsprofil für die Beleuchtung eines Stromes,

Fig.19 die Vorderansicht einer Linsen-Ausführungsform, welche die Strahlungsumverteilung der Linse nach Fig. 2 liefert und

Fig.20 in Vorderansicht die Ausführungsform einer Linse, welche die Strahlungsumverteilung der Linse nach Fig.2 bewirkt.

Ein optisches System nach der Erfindung entsprechend Fig. 1 hat eine Lichtquelle 10, welche eine einfallende Lichtstrahlung erzeugt, die normalerweise eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist. Eine Umlenkeinrichtung in der Form eines Reflektors 12 verteilt das einfallende, eine umgleichmäßige Intensitätsverteilung aufweisende Licht so, daß ausgangsseitig ein Licht entsteht, welches eine gewünschte vorbestimmte Verteilung in einer Ausgangsebene 1/f aufweist. Die Lichtquelle 10 kann beispielsweise ein Gaslaser sein, der mit entsprechenden optischen Elementen zur Strahlformung versehen ist und der einen kontinuierlichen oder intermittierenden Strahl 16 von Licht ausgibt. Die Lichtquelle 10 kann auch durch eine Hochdruck-Quecksilberlampe realisiert werden, welche ebenfalls die konventionellen Mittel zur Beeinflussung des Lichtstrahles aufweist. Der Reflektor 12 ist im Querschnitt dargestellt und hat im Zentrum seine optische Achse 18. Dieser Reflektor 12 hat einen zentralen Reflektorbereich 20 und unmittelbar anschließend

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zwei konkave, periphere Reflektorbereiche 22. Der zentrale Reflektorbereich 20 ist unter einem Winkel dc angeordnet, und zv/ar in Bezug auf die optische Achse 18. Entsprechend dieser geometrischen Anordnung - wird ein Zentralbereich Zk des Lichtes, der im wesentlich zentrisch zu der optischen Achse 18 liegt, von dem zentralen Reflektorbereich 20 reflektiert und geht von diesem aus. Dementsprechend wird der zentrale Bereich Zk des Lichtes in seiner Richtung um den Winkel Zol geändert. Der periphere Reflektorbereich 22 ist in Bezug auf das einfallende Licht konkav ausgebildet, wodurch eine Umverteilung des einfallenden Lichtes in einem peripheren Bereich 26, und zv/ar im Bezug auf das Licht in dem Mittelbereich Zk stattfindet. Der periphere Reflektorbereich 22 wird im Bezug auf die Ausgangsebene 1 Zf so angepaßt, daß der periphere Bereich 26 des Lichtes in der Ausgangsebene 1i| dem Licht des zentralen Bereichs Zk überlagert wird. Genauer ausgedrückt bewirkt der Reflektor 12 eine räumliche Umverteilung oder Umlenkung des peripheren Bereiches 26 des Lichtes in den gleichen Bereich, in dem der zentrale Bereich Zk des Lichtes verläuft. Auf diese Weise ergibt die Umlenkung der peripheren Lichtstrahlen eine Formierung des gewünschten Intensitätsprofils in der Ausgangsebene I^ in Richtung auf ein gleichförmiges Profil.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Systems nach der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Anordnung enthält die Umlenkoberfläche 11 für die räumliche Verschiebung des Lichtes eine Linse 27» welche die gleichen Ergebnisse in der Ausgangsebene 14 liefert wie der Reflektor 12 nach Fig. 1. Die Linse 27 hat eine Öffnung 28, welche in ihrem Inneren angebracht ist, und die Linse 27 mit ihrer Öffnung 28 ist konzentrisch positioniert zu der optischen Achse 18. Die Öffnung 28 ist so dimensioniert und angeordnet, daß sie den Mittelbereich Zk des Lichtes passieren läßt, wobei die Richtung dieses Lichtes optisch praktisch nicht verändert wird. Ein fester äußerer Bereich 29

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- 1 i+ -

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der Linse 27 ist so angeordnet und dimensioniert, daß er den peripheren Bereich 26 des Lichtes empfängt und dieses Licht so bricht, daß es sich mit dem mittleren Bereich Zk des Lichtes überlappt und dadurch die gewünschte Verteilung in der Ausgangsebene schafft. Die Linse 27 hat eine ebene äußere Oberfläche 30, welche senkrecht zur optischen Achse 18 verläuft und das Licht praktisch nicht bricht. Weiterhin ist eine gekrümmte äußere Oberfläche 31 vorgesehen, welche das Licht in einer nachfolgend zu beschreibenden Weise bricht. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Oberfläche 30 im Gegensatz zur hier vorliegenden Darstellung ebenfalls gekrümmt ausgebildet sein kann. Demzufolge würde die Oberfläche 30 in Kombination mit der Oberfläche 31 die gewünschte Brechung ergeben. Eine weitere geringere Abänderung der Ausführungsform nach Fig. 2 ist in Fig. 3 gezeigt. Hier hat die Linse 27 anstelle einer Öffnung 28 einen zentralen Linsenbereich 32, der ein Paar von ebenen, parallelen Begrenzungen 34 und 36 aufweist. Der zentrale Linsenbereich 32 liefert die gleichen Eigenschaften wie die Öffnung 28, nämlich dahingehend, daß er das Licht ohne eine ins Gewicht fallende optische Modifikation hindurchgehen läßt.

Fig. k zeigt eine weitere Ausführungsform eines optischen Systems nach der Erfindung. Die umlenkende Oberfläche 11 dieser Ausführungsform enthält eine Linse 38, die im Querschnitt dargestellt ist und auf der optischen Achse 18 zentriert wird. Die Linse 38 hat eine ebene äußere Oberfläche 40, welche senkrecht zur optischen Achse 18 verläuft. Weiterhin weist sie eine gekrümmte äußere Oberfläche l\Z für die Umlenkung der einfallenden Strahlung von der Lichtquelle in eine gewünschte Intensitätsverteilung in der Ausgangsebene H auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. h werden die Strahlen allmählich durch die Linse 38 nach innen gebrochen, wobei der V/ert der Lichtbrechung vom Zentrum in Richtung auf die Peripherie der Linse 38 zunimmt.

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Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Lichtintensität über einen Laserstrahl eng durch eine Gauß- oder Normal-Verteilung wiedergegeben werden kann, welche mathematisch durch die Gleichung

(1) I(r) = exp

[-(r/a)²]

beschrieben wird. Dabei ist I(r) die Intensität in einer Entfernung r (in Metern) von der optischen Achse 18,und zwar gemessen in Watt/m und a ist ein Maßstabsfaktor (in Metern). Weiterhin ist es auf dem Gebiet der Durchflußzytologie, wo die Teilchen in einem Durchflußstrom durch einen Gauß¹ sehen Laserstrahl beleuchtet v/erden, besonders günstig, eine gleichmäßige Intensitäts-Beleuchtung in der Ausgangsebene zu haben, wobei diese Beleuchtung mit einem Minimum an verschwendetem Licht und einem Maximum an Intensität das fließende Medium durchdringt. Bezugnehmend auf Fig. 5 kann der senkrecht zu der Zeichnungsebene verlaufende Lichtstrahl 16 eine Gauß-Verteilung haben und einem typischen strömenden Medium i+Zf überlagert werden, welcher Vorgang beispielsweise in dem Artikel "Quantitative Single Cell Analysis and Sorting" in der Zeitschrift "Science" Band 198, Nr. 4313 beschrieben ist. Typischerweise treten in einer konventionellen Durchfluß-Anordnung, wie z.B. bei dem Durchflußstrom 44 Zellen in eine Durchflußkammer unter Druck über ein Einführungsrohr ein, welches von einer schützenden Flüssigkeit umgeben ist. Allgemein bekannte Techniken der laminaren Schutzhüllen-Durchströmung erlauben es, die Zellen im Zentrum der Durchflußströmung zu begrenzen,und zwar nahe bei und entlang der Y-Achse. Die Durchflußströmung 44 ist normalerweise eine Flüssigkeitsdüse, wobei die Teilchen darin suspendiert sind und von einem sie ruhig stellenden Gas oder einer Flüssigkeit umgeben werden. Die Durchflußströmung 44 könnte auch ein Gasstrahl sein, der von einem anderen Gas umgeben ist. Im allgemeinen hat der einfallende Strahl ein schlitzartiges, im Querschnitt gesehen elliptisches

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Profil 45· Die Sröße der Lichtintensität wird durch eine Vielzahl von Intensitäts-Konturlinien 46 angegeben, wobei diese Linien 46 die allmähliche Zunahme der Intensität des Strahles 16 in Richtung auf die optische Achse 18 verdeutlichen. Da die dargestellte Größenverteilung der Durchfluß-Strömung 44 und des Strahles 16 so sind, wie sie in Wirklichkeit im Schnittpunkt der beiden beim bekannten Stand der Technik bei Zytometern auftreten, liegt es auf der Hand, daß ein großer Betrag des Lichtes nicht in die Durchflußströmung 44 eindringt und deshalb verschwendet wird. Bei der Ausführungsform nach dem bekannten Stand der Technik ist somit die Intensität des Lichtes, durch welches die Partikel fließen, geringer als die Intensität, welche bei einer Anordnung nach der Erfindung erreicht wird. Eine gewisse Überlappung über den Strahl 16 in Bezug auf die Durchflußströmung 44 ist notwendig, um eine gewisse seitliche Bewegung der Durchflußströmung 44 zuzulassen. Jedoch ist die meiste Überlappung eine Funktion der Notwendigkeit dahingehend, daß eine gleichmäßige Beleuchtung der Durchflußströaung 44 erzielt werden soll. Dementsprechend haben die bekannten Zytometer-Einrichtungen nur die Möglichkeit gehabt, einen kleinen Zentralbereich 47 des Strahls 16 nutzvoll auszuwerten. Dementsprechend wird die Erfindung nachfolgend im Zusammenhang mit einem speziellen Ausführungsbeispiel beschrieben, in welchem die einfallende Gauß-Verteilung benutzt wird, um die Durchflußströmung 44 eines konventionellen Zytometers zu beleuchten.

Fig. 6 zeigt die einfallende Intensitätsvertexlung des Lichtes, wie sie von einer Lichtquelle 10 geliefert wird, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Gauß-Verteilung eines Lasers in einer TEM_0n Mode vorhanden ist. Die Intensität I(r) des ausgesandten Lichtes wird als eine Funktion des Abstandes r von der optischen Achse 18 betrachtet. Unter der Annahme einer Gauß-Verteilung 48, wie beispielsweise die einfallende Licht-Intensitäts-Verteilung des

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Strahles 16 bei den Ausführungsformen nach Fig. 1, 2 und 4 — wird die gewünschte resultierende Intensitätsverteilung durch eine gleichmäßige Intensitätsverteilung 50 wiedergegeben. Wenn die vorliegende Erfindung auf die Teilchenanalyse angewendet wird, dann ist die gleichmäßige Verteilung 50 wünschenswert, um eine gleichmäßigere Beleuchtung der Teilchen zu erhalten, welche in der Durchflußströraung ifi+ vorhanden sind. Die beiden Anteile 48 und 50 sind in Fig. 6 gemeinsam eingetragen, um dadurch zu zeigen, wie das Licht durch die Umlenkoberflächen 11 der Fig. 1, 2 und 4 neu verteilt wird. Der Mittelbereich 52 der Verteilungen 48 und 50, v/elcher sich von b bis -b entlang der x-Achse erstreckt, fällt mit der Breite des Mittelbereichs 24 des einfallenden Lichtes zusammen. Die beiden einander gegenüberliegen Bereiche 54 und 56 der Verteilung außerhalb des Bereiches von -b bis b entsprechen dem einfallenden Licht in dem peripheren Bereich 26. In der einfallenden Verteilung 48 ergibt sich die einfallende Leistung Pm (in Watt) aus den Anteilen P₁ der gegenüberliegenden Bereiche 54 und 56 und aus dem Anteil P_ des mittleren Bereiches 52. Es gilt:

(2) P₁ + P₂ = P_T .

P„ wird so gewählt, daß eine konstante oder gewünschte Intensitätsverteilung erhalten wird. P₁ muß nicht notwendigerweise gleich Pp sein. Nach einer Reflexion durch den Reflektor 12 oder einer Brechung durch die Linsen 27 oder 38 wird eine gleichmäßige Intensitätsverteilung 50 erzeugt, in der periphere Bereiche 26 des Lichtes außerhalb des Bereiches von -b bis b in den Mittelbereich 24 des Lichtes verschoben worden sind. Bei der gleichmäßigen Intensitätsverteilung 50 wird die Leistung Pp des mittleren Bereiches 52 und die Leistung P₁ der gegenüberliegenden Bereiche 54 und 56 jeweils wie folgt definiert:

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(3) P₂ = ^P _T ^^nd P₁ = O

Auf diese V/eise wird die nicht unerhebliche Vergeudung des Lichtes in den gegenüberliegenden Bereichen 5A- und 56 vermieden und eine im wesentlichen gleichförmige Beleuchtung der Durchflußströmung kk erhalten. Gleichzeitig wird die Intensität in dem mittleren Bereich 52 erhöht. Durch die vorliegende Erfindung läßt sich somit im Ergebnis ein weniger starker Laser verwenden, um die gleichen Ergebnisse zu erhalten,wie sie ohne die Anwendung der umlenkenden Oberfläche 11 zu erzielen wären. Somit wird anstatt des länglichen Lichtprofils 45, wie es in Fig. 5 dargestellt wird, ein etwa rechteckiges Profil 58 erreicht, welches in in Fig. 7 gezeigt ist.

Bei Benutzung der Linse 27 nach Fig. 2 oder des Reflektors 12 kann die Gauß-Verteilung 48 in eine gleichmäßige Verteilung50 umgeformt werden, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Dies kann erfolgen durch ein allmähliches Umfalten des äußeren Bereiches 26 des Lichtes, derart, daß das äußerste Ende 60 der Gauß-Verteilung 48 verlagert wird nahe zu der optischen Achse 18 und damit nahe dem Maximum der Gauß-Verteilung. Jeder der aufeinanderfolgenden kleinen Segmente des peripheren Bereichs 26 des Lichtes, welcher von dem äußeren Ende 60 nach innen verlagert wird, läßt sich fortlaufend weiter nach außen von der optischen Achse 18 neu anordnen. Obwohl die Lichtabschnitte 62 nicht unbedingt in einer genauen fortlaufenden Verteilung von ganz innen nach ganz außen verschoben v/erden müssen, bringen andere Verfahren der Verschiebung der Segmente für diese spezielle Verteilung if8 und 50 im wesentlichen größere Ungleichmäßigkeiten der Linsen mit sich. Die Anzahl der Abschnitte, welche für die Überlagerung des peripheren Bereichs 26 des Lichtes über den mittleren Bereich Zk des Lichtes erforderlich sind, ist Sache der Auslegung im einzelnen.

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Bei Benutzung einer Linse 38 entsprechend Fig. k läßt sich die Gauß-Verteilung 48 in eine gleichmäßige Verteilung 50 entsprechend Fig. 6 dadurch verwandeln, daß der Betrag der Brechung der Linse 38 von der optischen Achse 18 in Richtung auf die Peripherie der Linse 38 allmählich zunimmt.

In Fig. 8 ist eine Intensitätsverteilung 61+ dargestellt, welche zwei Maxima aufweist und als Ausführungsbeispiel einer Lichtquelle 10 dient, die einen Laser in der TEM^₁ Mode aufweist. Bei einer derartigen Verteilung Gh für die einfallende Strahlung wurden die Ränder derselben durch die umlenkende Oberfläche entsprechend der vorliegenden Erfindung so versetzt, daß sie das Tal auffüllen wurden und so eine gewünschte Intensitätsverteilung ergeben, welche der gleichmäßigen Verteilung 50 entspricht.

In Fig. 9 ist eine typische Intensitätsverteilung 66 für eine inkoherente Lichtquelle 10 dargestellt, wie sie beispielsweise durch eine Hochdruck-Quecksilberlampe geliefert wird. Es können die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung,wie sie in der. Fig. 1, 2 und k dargestellt sind, benutzt werden, um die seitlichen Bereiche der Verteilung 66 in eine gewünschte Verteilung räumlich umzusetzen und dadurch die gleichmäßige Intensitätsverteilung 50 zu erhalten.

In den Fig. 6, 8 und 9 ist die gewünschte resultierende Intensitätsverteilung so gewählt, daß sie eine gleichmäßige Intensitätsverteiluxig 50 ergibt. Wie bereits erwähnt, ist die gleichförmige Intensitätsverteilung 50 in der Ausgangsebene 1 if besonders dann nützlich, wenn auf dem Gebiet der Zytologie Teilchen bestrahlt werden sollen. Es ist aber darauf hinzuweisen, daß die Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den Figuren 1, 2 und h dargestellt sind, auch dazu herangezogen werden können, um eine gewünschte Intensitätsverteilung zu erreichen, welche von der gleichförmigen In-*

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tensitätsverteilung 50 abweicht. Auch sollte darauf hingewiesen werden, daß der zentrale Reflektorbereich 20 und der zentrale Linsenbereicla 32 in ihrer Dimensionierung und in ihrer Konfiguration so geändert werden können /laß eine gewünschte Intensitätsverteilung erreichbar ist.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1, 2 und Zf liefert die Lichtquelle 10 einen Lichtstrahl 16, welcher zum Zweck der Erläuterung als kollimiert angenommen ist. Es versteht sich jedoch, daß irgendeine gestaltete Strahlung, sei sie kollimiert, divergent oder konvergent die einfallende Strahlung enthalten kann und im Rahmen der Ausführungsbeispiele der Erfindung benutzbar ist. Nur zum Zweck der Erläuterung ist eine von vielen Variationen des Lichtstrahles 16, die innerhalb des durch die Ansprüche definierten Schutzbereichs der Erfindung liegen, in Fig. 10 dargestellt. Die Fig. 10 zeigt die Benutzung einer umlenkenden Oberfläche 11 für einen konvergenten Strahl 16. Die Linse 27 lenkt das Licht in einer bereits beschriebenen Weise ab. Ebenso ist die Ausgangsebene 1^ zwischen der Linse 2? und dem Brennpunkt 70 angeordnet; sie könnte jedoch auch auf der anderen Seite des Brennpunktes 70 liegen. Es gibt viele Variationen der Betriebsweise für das einfallende Licht mit entsprechenden Modifikationen der umlenkenden Oberfläche 11, wobei diese für den Fachmann jederzeit durchführbar sind.

In den Figuren 1, 2 und 1+ wurde das optische System in einer einzigen Querschnittsebene 71 dargestellt, welche senkrecht zu der Ebene der Zeichnungen entsprechend Fig. 5 und 7 verläuft und parallel zur x-Achse liegt. Unter Bezugnahme auf Fig. 5 soll herausgestellt werden, daß es eine unendliche Anzahl dieser Ebenen 71 gibt, welche die y-Achse senkrecht schneiden und eine Gauß-Verteilung A-8 aufweisen. Entsprechend einer Anwendung der umlenkenden Oberfläche 11 der Erfindung wird jede dieser Ebenen 71 in einer Art und V/eise modifiziert, wie sie in den Fig. 1, 2 und k dargestellt

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ist. In Fig. 7 zum Beispiel schneiden die Ebenen 71, welche von der optischen Achse 18 weiter entfernt sind, das elliptische Profil i+5 so, daß sie eine geringere Leistung aufweisen als diejenigen Ebenen, die näher der optischen Achse 18 liegen. Unter der Annahme, daß der Bereich von -b bis b beispielsweise mit einer gleichförmigen Intensitätsverteilung 50 erhalten wird, würde die Intensität I der Verteilung 50 einer gegebenen Ebene 71 geringer werden bezogen auf die Intensitätswerte der Verteilung 50 für Ebenen 71> welche näher der optischen Achse 18 liegen. Wie in Fig. 11 dargestellt, kann eine Vielzahl von Folgen korrespondierender Gauß-Verteilungen if8 und 50 und' gleichmäßiger Intensitätsverteilungen erhalten werden, welche mit 72, 7^, 76 und 78 bezeichnet sind. Ϋ/eil der Teilchendurchgang in Bezug auf die x-Achse in Fig. 7 von dieser abweicht, würde ein gegebenes Teilchen innerhalb einer im wesentlichen gleichmäßigen Beleuchtung dargeboten werden, wobei außer Betracht bleibt die Brechung, welche durch die Strömung kk verursacht wird. Andererseits wurden, da Teilchen das Strahlungsprofil entlang der y-Achse durchlaufen, sich einige Variationen in der Intensität der Beleuchtung ergeben. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Bereich von -b bis b so gewählt werden muß, daß in irgendeiner gegebenen Folge 72 oder einer anderen das Maximum der Intensität der Gauß-Verteilung i^8 nicht die gewünschte Intensität der gleichmäßigen Verteilung 50 überschreitet. Andernfalls würde es notwendig werden, Licht von dem zentralen Bereich Zl\ wegzuverschieben. Wie sich aus den dreidimensionalen Darstellungen der nachfolgenden Ausführungsbeispiele ergeben wird, kann der Bereich von -b bis b konstant bleiben oder sich ändern, und zwar in Abhängigkeit von der Konfiguration des zentralen Bereiches 2k· Wie sich zeigen wird, wird die dreidimensionale·resultierende Verteilung in typischer Weise so modifiziert, daß sie gleichmäßig ist in Bezug auf nur eine Achse. Wenn jedoch der Bereich von -b bis b in einer vorbestimmten Weise variiert wird oder, wenn eine Licht-Umverteilung in Bezug auf beide Achsen vorgenommen

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wird, dann kann die dreidimensionale, resultierende Verteilung gleichmäßig gemacht werden in Bezug auf sowohl die x-Achse als auch die y-Achse. Dies wird nachfolgend im einzelnen näher beschrieben. Eine Veränderung des Bereiches von b bis -b ist im allgemeinen nicht wünschenswert, und zwar deswegen, weil hierfür nicht-lineare Oberflächen notwendig werden. Obwohl die Ebenen 79 aus Fig. 5 und 7, die senkrecht zu der Zeichnungsebene und parallel zur x-Achse verlaufen, ebenfalls Gauß-Verteilungen enthalten, ist für die Anwendung der Teilchen-Analyse die Variation bei der Beleuchtung des elliptischen Profils If5 in Bezug auf die y-Achse so klein, daß das einfallende Licht nicht modifiziert v/erden muß in Bezug auf die y-Achse.

Die Ausführungsform/nach Fig. 12 und 13 sind speziell gerichtet auf die Anwendung einer Linse 27 für die Durchführung der Teilchenanalyse in einem konventionellen Zytometer. Bei bekannten Meßeinrichtungen dieser Art werden die in der Durchströmung ^k enthaltenen Teilchen mit einer Strahlung beaufschlagt, welche ein schlitzartiges, elliptisches Profil 45 entsprechend der Darstellung nach Fig. 5 aufweist. Bei den Ausführungsformen des bekannten Standes der Technik wird eine zylindrische Linse 80 benutzt, um den Strahl 16 in Bezug auf die y-Achse zu sammeln. Wie aus Fig. 13 hervorgeht, ist eine zweite zylindrische Lins'e (nicht dargestellt) bei den Anordnungen nach dem Stand der Technik dort vorgesehen, wo hier die Linse 27 positioniert ist. Erstere wird benutzt, um einem geringen Umfang das Licht in Bezug auf die x-Achse zu konvergieren, wobei eine derartige Konvergierung durch die äußeren Grenzlinien 82 und 8^+ eines typischen Strahls nach dem Stand der Technik angedeutet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechend Fig. 12 und 13 ersetzt die Linse 27, welche eine modifizierte, zylindrische Linse enthält, die zweite zylindrische Linse. Es ist zu beachten, daß der Lichtstrahl 16 der Lichtquelle 10 im Querschnitt gesehen eine im wesentlichen kreisförmige Verteilung hat,

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bevor er auf die Linse 27 trifft. Bei dem Ausführungsbeispiel entsprechend Fig. 12 und 13 ist die Linse 80 zwischen der Ausgangsebene 14 und der Linse 27 angeordnet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Anordnung anderer optischer Oberflächen zwischen der umlenkenden Oberfläche 11 und der Ausgangsebene 14 innerhalb des beanspruchten Bereiches der durch die Ansprüche definierten Erfindung liegt. Die Einfügung derartiger optischer Oberflächen, etwa der Linse 80, führt zu einer korrespondierenden Modifikation der umlenkenden Oberfläche 11, so daß die Kombination der umlenkenden Oberfläche 11 und der dazuwischen angeordneten optischen Oberfläche das gewünschte Intensitätsprofil in der Ausgangsebene 14 ergibt. Fig. 15 zeigt in perspektivischer Darstellung den Reflektor 12, welcher der Linse 27 der Fig. 14 äquivalent ist. Fig. 16 zeigt die Linse 38 in perspektivischer Darstellung, welche bei der vorstehend beschriebenen Anwendung benutzt werden kann. Jede der umlenkenden Oberflächen 11 in den Fig. 14> 15 und 16 modifiziert optisch das einfallende Licht in Ebenen 71 in Bezug auf die x-Achse. Eine solche Modifikation für die Linse 27 von Fig. 14 ist in Fig. 2 dargestellt, für den Reflektor 12 in Fig. 1 und für die Linse 38 in Fig. 4·

In Fig. 17 ist der Strahl 16 mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnittsprofil 86 dargestellt. Bei dem elliptischen Profil 45 von Fig. 5» welches in typischer V/eise durch zwei zylindrische Linsen in der vorstehend beschriebenen '-'.eise erhalten wird, besteht keine Notwendigkeit, das Licht in stärkerem Maße in Bezug auf die y-Achse zu konzentrieren. Dies ist jedoch nicht der Fall bei einer Anordnung entsprechend Fig. 17, welche als Beispiel für die Notwendigkeit einer Modifikation des einfallenden Lichtes in zwei Dimensionen dient, und zwar sowohl in Bezug auf die x-Achse, als auch in Bezug auf die y-Achse. Als eine Möglichkeit kann der einfallende Strahl 16 von Fig. 17 modifiziert werden in Bezug auf die y-Achse in einer Art und ¥.'eise₃

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- Zh, -

ähnlich der, welche erreicht wird durch die Verwendung der Linse 80 bei den Fig. 12 und 13. Dann kann der einfallende Strahl 16 in Bezug auf die x-Achse in einer Weise modifiziert werden, wie sie in den Fig. 1, 2 und l\ dargestellt ist, um dadurch ein Licht-Intensitätsprofil 58 entsprechend Fig. 7 zu erhalten. Als angenommenes Beispiel besteht eine andere Möglichkeit darin, daß die resultierende Intensitätsverteilung in beiden Richtungen eine gleichmäßige Intensitätsverteilung 50 aufweist, wie sie in den Fig. 6, 8 und 9 gezeigt ist. Dann muß das einfallende Licht in zwei Dimensionen durch die Techniken nach Fig. 1, 2 und Zf modifiziert

ein
werden, um/im wesentlichen rechteckiges Lichtprofil 88 zu erhalten, wie es in Fig. 18 dargestellt ist. Um eine Lichtumlenkung in der vorstehend beschriebenen Weise zu erhalten, müssen die Linse 27, der Reflektor 12 und die Linse 38 eine umlenkende Oberfläche 11 mit einer asphärischen Form aufweisen. Die Fig. 19 zeigt als Beispiel eine solche Abwandlung für die Linse 27· Darüber hinaus hat die Öffnung 28 eine rechteckige Gestalt. In Bezug auf eine der Achsen bleibt der Bereich von -b bis b vorzugsweise konstant. Wie bereits erläutert, kann der einfallende Strahl i6 bei der Ausführungsform 19 umverteilt werden unter Benutzung der Maßnahmen entsprechend Fig. 2 um eine gleichmäßige Licht-Intensität in einer Dimension zu erreichen. Der einfallende Strahl 16 kann aber auch alternativ in zwei Dimensionen umgeordnet werden, und zwar durch Benutzung konventioneller mathematischer iterativer Verfahren, um so das Licht in Bezug sowohl auf die x-Achse,als auch auf die y-Achse umzulenken.

Entsprechend Fig. 20 kann eine zweidimensionale Uniformität der Intensität erreicht werden durch Einbeziehung der Licht-Umlenktechniken der Fig. 1, 2 und Zf, um so die radialen Ebenen 90 der umlenkenden Oberfläche 11 zu modifizieren. Als erläuterndes Beispiel können die radialen Ebenen 90, welche durch die optische Achse 18 verlaufen, bei der Linse 27 in jeder radialen Ebene in einer Weise modifiziert werden,

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wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform hat die Linse 27 eine radiale Symmetrie in Bezug auf die optische Achse 18, wobei die Öffnung 28 kreisförmig gestaltet ist. Dies erzeugt ein resultierendes, kreisförmiges Intensitätsprofil (nicht dargestellt) mit im wesentlichen gleichförmiger Intensität in Bezug sowohl auf die x-Achse, als auch auf die y-Achse.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 20 kann das durch die radial-symmetrische Linse 27 erzeugte kreisförmige Lichtprofil von gleichmäßiger Intensität ebenso wie bei den anderen Ausführungsformen weiterhin dadurch modifiziert werden, daß andere optische Komponenten zwischen der radialsymmetrischen Linse 27 und der Ausgangsebene 1^ angeordnet werden. Beispielsweise kann die radial-symmetrische Linse 27 , wie sie in Fig. 20 dargestellt ist, durch die modifizierte, zylindrische Linse 27 in den beiden optischen Anordnungen der Fig. 12 und 13 ersetzt werden. In einem solchen Fall würde das resultierende Lichtprofil eine nahezu elliptische Konfiguration aufweisen, wobei das Licht in Bezug auf die x-Achse im wesentlichen eine gleichmäßige Verteilung aufweist. Um den Schutzbereich dieser durch die Ansprüche definierten Erfindung festzulegen, sollte darauf hingewiesen werden, daß die Ausgangsebene W+ als durch den Strom kk hindurchreichend dargestellt ist und viele lichtumlenkende Elemente aufweisen kann, die zwischen der Ausgangsebene M\ und der Lichtquelle 10 liegen, so wie es in den Fig. 12 und 13 dar- ' gestellt ist.

Zusammengefaßt ausgedrückt sind Konzentrationen des einfallenden Strahles 16 in einer Dimension innerhalb einer Ebene in den Figuren 1, 2 und k dargestellt, wobei die umlenkende Oberfläche 11 benutzt wird, welche verschiedene Formen annehmen kann, beispielsweise die Form einer Linse 27, die Form eines Reflektors 12 und die Form einer Linse 38. Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß eine Strahlkonzentration

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in einer Ebene durch eine große Anzahl dreidimensionaler Brechungs- und Reflektoranordnungen verwirklicht werden kann, wie etwa die bevorzugte Ausführungsform einer zylindrischen, umlenkenden Oberflächen-Anordnung bei den Figuren 12 und 13 zeigt. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform hat die modifizierte,zylindrische Uralenkoberfläche 11 (vergleiche Fig. 1Zf) eine Öffnung 28 mit gleichförmiger Weite, welche bevorzugt den einfallenden Strahl so modifiziert, daß das resultierende Strahlungsprofil gleichmäßig ist in Bezug auf eine der Achsen der Ausgangsebene 1Zf. Andere weniger vorteilhafte Reflektor- und Brechungs-Anordnungen können Modifikationen der Einrichtungen der Strahlkonzentration nach den Fig. 1, 2 und k aufweisen, und zwar solche, wie sie in den Fig. 19 und 20 dargestellt sind. Darüber hinaus kann ein gleichmäßiges Intensitätsprofil erzeugt werden bei der Ausgangsebene 1Zf, bei der eine zweidimensional Uniformität der Intensität in Bezug auf beide Achsen erreicht ist.

Obwohl die Beleuchtung von Teilchen als ein möglicher Anwendungsfall für die vorstehend beschriebenen Umverteilungs-Techniken als besonders nützlich angegeben ist, ergeben sich für den Fachmann auch andere Anwendungsgebiete für diese Maßnahmen. Obwohl der Begriff "Licht" bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele verwendet wurde, kann die umlenkende Oberfläche 11 auch mit anderen Arten νο·η strahlender Energie angewendet werden und ist nicht notwendig beschränkt auf sichtbare Wellenlängen.

Nachfolgend v/erden die mathematischen Beziehungen für die Umlenkung der Lichtstrahlen durch die Linsen 27 und 28 entsprechend den Ausführungsbeispielen der Erfindung wiedergegeben. Es sind vier grundlegende Fälle zu unterscheiden:

1) die symmetrische Linse 27 mit überkreuzenden Strahlen, wie sie bei der Ausführungsform nach Fig. 20 dargestellt ist,

2) die asymmetrische Linse 27 mit überkreuzenden Strahlen,

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wie sie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. I^ dargestellt ist,

3) die symmetrische Linse 38 ohne überkreuzende Strahlen , welche im Querschnitt in Fig. k dargestellt ist und

k) die asymmetrische Linse 3S ohne überkreuzende Strahlen, wie sie bei der Ausführungsform von Fig. 16 dargestellt ist.

In allen vier vorstehend beschriebenen Fällen werden die nachfolgenden Schreibweisen angewandt: R. und Rp sei der strahlende Durchfluß der einfallenden Strahlung auf eine der Linsen 27 oder 38 und die Ausgangsebene 1^, und zwar jeweils gemessen in Watt. Mit M.. und Mp wird die Strahlungsverteilung der einfallenden Strahlung und in der Ausgangsebene (entsprechend R. und Rp) in Watt/m angegeben. Weiterhin ist angenommen, daß die einfallende Strahlungsenergie, welche auf die Linse trifft, zylinder-symmetrisch um die optische Achse 18 verteilt ist. Bei der nachfolgenden Ausv;ertung v/erden die Effekte, welche darauf zurückgehen, daß eine Reflexion beim Linsenmaterial und eine Absorption von Licht in der Linse auftritt, zum Zwecke der Vereinfachung weggelassen.

Auf Grund des Gesetzes über die Erhaltung der Energie ergibt sich

und entsprechend

(5) / M₁Cr)'da = j Mp(r)'da

^a1 ^a2

Dabei sind a, und a_? die Bereiche senkrecht zu der optischen Achse 18 der einfallenden Strahlung, welche einen Radius a hat, während die Ausgangsebene 14 einen Radius b aufweist.

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Der radiale Abstand von der optischen Achse 18 beträgt r.

In den Fäller. 1 und 3 (die symmetrischen Linsen 27 und arbeiten jeweils mit und ohne uberkreuzung der Strahlen) soll M₁ eine Gauß-Verteilung aufweisen.(Dieser Formalismus kann auch für andere Verteilungen in gleicher Weise benutzt v/erden.) Dementsprechend gilt:

(6)

Dabei ist M₀ die strahlende Erregung von M₁ bei r = O und

r ist eine Konstante mit der Dimension einer Länge. Für a

ein konstantes Profil in der Ausgangsebene M\ und gleich Mp kann man nach M_ auflösen. Aus der Gleichung 5 ergibt sich:

/rr

(7) J₀ V₀M₀- exp -

r dr

Dabei ist φ der Azimuth-V/inkel. Infolge der Beziehung

o,yyv ergibt sich folgende Gleichung: a

(8)

Nachfolgend wird der Fall 1 (symmetrische Linse 27 überkreuzenden Strahl en ) genauer betrachtet.

Die einfallenden Strahlen, welche im Abstand r¹. mit j= O, 1, ...,N liegen, werden so ausgewählt, daß diese Strahlen gebrochen werden in Abstände von der optischen Achse in der Ausgangsebene Ik von jeweils r-, j=O, 1, ...,K. Dabei soll die Übereinkunft gelten, daß r_Q = r'_Q = b und r_w = 0 und r¹«· = a^>>r . Es wird angenommen, daß Werte r¹ . jeweils gleichen Abstand haben, das heißt, es gilt

ⁿ j ~ j

j-i

und
130018Ζ08β1

Die korrespondierenden r --Werte v/erden aus der Addition der

strahlenden Flüsse zwischen r¹ - und r¹ . - sowie zwischen r- » und r. berechnet und geteilt durch den Bereich in der

3~ '0 2 2\

Ausgangsebene H₅ ^(r^i - ^r-; )· Das Resultat wird dem

Viert Mp aus der Gleichung (8) gleichgesetzt und es ergibt sich:

J₀

^J 'exp(-r^)-r dr

exp (-rf ) - expC-r^²-) + expC-r·.²^ -exp(-rl² ) J J^J JjzJ D

r ² - r ² 3-1 3

Es vverden jene r--Werte benötigt, welche die Gleichung (9)

erfüllen, und zwar beginnend mit r^ = b. Dieses Verfahren kann nach den üblichen Methoden der numerischen Analyse durchgeführt v/erden.

An der brechenden Oberfläche werden K Parabeln zusammengesetzt, und zwar derart, daß ihre ersten Ableitungen über die r¹ .-Werte konstant sind. Die j-te Parabel hat die Form

3 ρ

ζ · = a_Q + a, r' · + a₂r' · . Der Abstand parallel zu der optischen Achse von dem Scheitel der Linse 27 (wo die brechende Oberfläche die optische Achse 18 kreuzt) zu der brechenden Oberfläche ist z, O^z., j = 0, 1, ...,K. Der

Abfall ist gegeben durch:

m. =
3

3 dr¹

r^f=r·.

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Alle Werte r¹· und r. sind bekannt. Für ein gegebenes j

J J

werden beim Iterationsprozeß die nächsten z- und m-Werte benötigt. Die Koeffizienten, welche die nächste Parabel (aQ, a«, &p) beschreiben, sind erforderlich:

a₀

(1Ob) ζ- = a_n + a^r«. + a_? · r'-

J ^ 'J ^- J

(10c) ^mj-i^{= a}1 ^{+ 2a}2*^rj-1
(1Od) m, ^a₁+ 2a_?.r^

J ' *— J

Die Gleichung (10a) zeigt an, daß die j-te Parabel durch

den Punkt (r¹ . ₁₅ z. -) gehen muß. Die Gleichung (10b) J~ ι J~I

deutet an, daß die j-te Parabel durch (r., z.) geht. Die Gleichung (10c) · zeigt an, daß die j-te Parabel den gleichen Abfall m._. bei (r¹ ._., z._.) hat, wie die(j-1)-te

tJ * «J J

Parabel. Die Gleichung (1Od) gibt an, daß die j-te Parabel den gewünschten Abfall m. bei (r¹., z-) hat.

J JJ

Es sind vier Gleichungen vorhanden und fünf Unbekannte (z-, Di-, a_n, a₁ , ap). Deshalb ist noch eine andere Beziehung erforderlich. Diese wird erhalten durch die Betrachtung der Brechung des einfallenden Strahles parallel zur optischen Achse 18 zu dem gewünschten Ort in der Ausgangsebene 1Zf. Dabei soll Θ. der j-te Einfallswinkel bei (r^! ·, z.)

J JJ

Es gilt dann

(11) Θ, = Arctan (-m,)_} Θ, >0

J JJ

Wenn Θ- der j-te Brechungswinkel bei (r¹., z.) ist, dann J Jj

ergibt sich nach dem Snell'sehen Gesetz die folgende Gleichung:

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(12) θ!· = Aresin (η · sine,), θ¹. >Ο

Der relative Brechungsindex der Linse 27,verglichen mit dem umgebenden Medium,sei n. 0. ist der positive Winkel zwischen

dem (τ!·, ζ^) treffenden Lichtstrahl bei dem Ort in der Aus-J J

gangsebene (r·, B) und der optischen Achse 18. Dabei ist

J
B der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt der Linse 27 und der Ausgangsebene 18. Der Wert ζ wird gemessen vom Scheitel und die positive Richtung geht von der Linse 27 in Richtung auf die Ausgangsebene 18. Es gilt:

(13) 0-j = Arctan

3 J ;

Drei oder mehr Gleichungen (11 - 13) und zwei Unbekannte sind hinzugefügt worden; Θ. und Θ¹-, B und η sind gegeben

J J

und r¹ - und i-- sind vorbestimmt. Die Gleichung (13) kann

J J
für eine günstigere Auswertung umgeschrieben werden:

r' . - r. (Ii₊) z, = B - —* Ί

Der folgende Algorithmus läßt sich benutzen:

1. Man wählt einen Ansatz m zwischen m. XnKm . , wobei

j-1 mm'

m . = tan θ und wobei θ der kritische Einfallsmm c ο

winkel

G = Aresin (l/n)

ist. Man benutzt die Gleichung (1^), um z- für diesen

Ansatz von m zu berechnen.

2. Man benutzt die Gleichungen (10a) bis (10c), um die Koeffizienten (a₀» a-, a,) zu berechnen.

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3. Man berechnet F = m. - a, -2a_pr'. aus der Gleichung (iod) Man geht zurück zum Schritt 1 und findet denjenigen Wert von m, welcher F=O ergibt. Dann ist m = m. .

4. Man berechnet a ζ- entsprechend zu m. unter Benutzung der Gleichung (Ii+). Man benutzt die Gleichungen (1Oa), (10b) und (lOd), um die endgültigen Werte (a₀, a,, a_?) zu berechnen.

Jetzt wird der Fall 2 (asymmetrische Linse 27 mit überkreuzenden Strahlen ) im einzelnen betrachtet. Unter Benutzung der x-y-Koordinaten entsprechend Fig. 7 existiert in der Ausgangsebene Ik die folgende Beziehung:

(15) M_P = M_n · C · exp -(y/r )

Dabei sind c und r Konstante. Unabhängig davon, welchen Pfad das Teilchen innerhalb der Durchflußströmung kk von Fig. 7 nimmt, ist es einer Strahlungsverteilung ausgesetzt, welche durch die Gleichung (15) wiedergegeben ist. Man löst nach c unter Benutzung der Gleichungen (^)₃ (5) und (15) auf und erhält folgende Gleichung:

(16) M₂ =^J4r^a * ^Mo · ^exp

Man drückt M₁ (x, y) in einem x-y-Koordinatensystem aus

2 2 2

unter Benutzung der Beziehung r = χ + y sowie der Gleichung (6) und erhält:

(17) M₁(XJy) = M₀ · exp -(x/r_&) · exp -(y/^r _a)j

Man teilt die x-Koordinaten in gleicher Weise wie die r-Yferte geteilt wurden, wobei χ., x'^, 3=0, 1, <^.. N. Dann berech-

(J J

net man die Strahlungserregung über eine elementare Verschiebung in der y-Richtung mit dem Wert Ay, wobei man das Ergebnis in der Ausgangsebene 1 i+ feststellt und einfallenden Strahlungserregung gleichsetzt.

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₍₁₈) Jb J_y -ay/2 U₂ . dy dx

x, ₁ y+Äy/2 je«. χ + Ay/2

f ^J ' Γ M · dy dx +M Γ M₁ · dy dx

^Jx. ^Jy -Ay/2¹ Jx· ^y -Ay/2¹

Unter Benutzung der Gleichungen (16) und (17) ergibt sich eingesetzt in Gleichung (18) folgende Beziehung:

erf (χ. -/r_a) - erf (χ./r ) + erf(xl/r )-erf(x·. ./r ) (I9) I _ IrJ—_ J 2 J—s -ι- ι a_

Dabei ist die Fehlerfunktion definiert durch: (20) erf (z) = f exp(-t²)· d t

Die x¹ -Werte werden zu gleichen Inkrementen angesetzt, ebenso wie die r-Werte es mit x· = b und x· _T = a»r .

υ in " a

Unter Benutzung der Gleichung (19) können alle χ--Werte

Δ erhalten werden und die Oberfläche der Linse kann gebildet werden unter Benutzung des Formalismus, welcher zu den Gleichungen (10) und (14) führte.

Jetzt wendet man sich im einzelnen den Fällen 3 und 4 zu (symmetrische und unsymmetrische Linse 38 ohne Uberkreuzung der Strahlen), wobei die Ausgangsebene 14 in gleiche Abschnitte für r und χ geteilt wird, und zwar ähnlich zu r¹ -

und x¹ . im vorangegangenen Text. Man benutzt den Formalismus, welcher zu den Gleichungen (10) bis (14) geführt hat, um die Oberfläche der Linse festzulegen.

Patentanwälte

Dipl.-Ing. E Eder Dlpl.-Ing. IC/Schieschke 8 München «_;JpjfeabethstraBe

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Claims

Patentanwälte ΠίρΙ.-lng. E. Eder Dipl.-ing. K. Schieschke 8 München 40, Elisabethstraße COULTER ELECTRONICS, HTC. HIALEAH,FLORIDA,U.S.A. Optische Einrichtung für die Umverteilung von einfallender Strahlung Patentansprüche

1. Optische Einrichtung für die Umverteilung von einfallender Strahlung mit ungleichmäßiger Intensitätsverteilung auf eine resultierende Strahlung mit einer gewünschten Intensitätsverteilung in einem vorbestimmten Bereich einer Ausgangsebene, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung Umlenkeinrichtung (12 oder 27) aufweist, die mit einem zentralen Bereich (20, 28 oder 32) und einem peripheren Bereich (22 oder 29) versehen ist-, wobei jeder dieser Bereiche für den Empfang eines Teils der einfallenden Strahlung (16) ausgelegt und gestaltet ist, daß der zentrale Bereich (20, 28 oder 32) so gestaltet ist, daß er die einfallende Strahlung den vorbestimmten Bereich der Ausgangsebene (14) bestrahlen läßt, daß der periphere Bereich (22 oder 29) so gestaltet ist, daß er bestimmte Strahlen der einfallenden Strahlung (16) auf bestimmte Stellen in dem vorgegebenen Bereich der Ausgangsebene (Ii+) lenkt, wobei die bestimmten Stellen zusätzlich bestrahlt werden, um so die gewünschte Intensitätsvertexlung (50) in dem vorbestimmten

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Gebiet zu erhalten.

2. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Bereich der Ausgangsebene (IiLf) eine Konfiguration mit mindestens einigen kleineren Dimensionen in zwei Richtungen aufweist, die senkrecht zu den entsprechenden Dimensionen der einfallenden Strahlung (16) verlaufen, und daß die resultierende Strahlung bei der Ausgangsebene (14) ein kleineres Profil von höherer Intensität hat als das Profil der einfallenden Strahlung (16).

3· Optische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallende Strahlung eine kolimierte Strahlung, eine konvergente Strahlung oder eine divergente Strahlung enthält.

l\. Optische Einrichtung für einen Teilchenanalysator, bei dem Teilchen zur Erzeugung auswertbarer Signale beleuchtet werden und eine Strahlungsquelle eine auftreffende Strahlung mit einer ungleichmäßigen Strahlungsverteilung für die Beleuchtung der Teilchen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) für die Umverteilung der einfallenden Strahlung (16) zu einer resultierenden Strahlung aufweist, die eine im wesentlichen gleichmäßige Intensitätsverteilung (50) in einer Ausgangsebene aufweist, daß die Ausgangsebene (1Zf) so positioniert ist, daß sie Teilchen enthält, wobei die Teilchen von der resultierenden Strahlung beleuchtet werden.

5. Optische Einrichtung nach Anspruch if, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) eine Linse (38) mit einer umlenkenden Oberfläche (11) für die Brechung der einfallenden Strahlung (16) über mindestens einen größeren Teil hiervon aufweist, und

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daß die Linse (38) so konstruiert ist, daß sie die einfallende Strahlung (i6) in einem vorbestimmten Bereich der Ausgangsebene (Ik) ohne Überlappung der einzelnen Strahlen konzentriert.

6. Optische Einrichtung nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) einen zentralen Bereich (20, 28 oder 32) und einen peripheren Bereich (22 oder 29) aufweist, daß jeder dieser Bereiche für die Aufnahme eines Teils der einfallenden Strahlung (16) angeordnet und ausgebildet ist, daß der zentrale Bereich (20, 28 oder 32) so gestaltet ist, daß er der einfallenden Strahlung gestattet, einen vorgegebenen Bereich der Ausgangsebene zu beleuchten, der die Teilchen enthält, daß der periphere Bereich (22 oder 29) so konstruiert ist, daß er spezifische Strahlen der einfallenden Strahlung (16) auf bestimmte Stellen in dem vorgegebenen Bereich der Ausgangsebene (1Zf) . . lenkt., wobei die bestimmten Stellen zusätzlich beleuchtet werden, um eine resultierende Strahlung mit einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung (50) innerhalb des vorbestimmten Gebietes zu erzeugen.

7. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) eine Linse aufweist, die einen peripheren Linsenteil (29) und eine innerhalb der Linse (27) gebildete Öffnung (28) "besitzt, daß der periphere Teil (22 oder 29) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) den genannten peripheren Linsenteil (29) enthält, wobei dieser periphere Linsenteil (29) eine gekrümmte äußere Oberfläche (31) für die Umlenkung der einfallenden Strahlung (16) aufweist,und daß der zentrale Bereich (20, 28 oder 38) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) die genannte Öffnung (28) enthält, wobei die einfallende Strahlung (16) die genannte Öffnung (28) praktisch ohne optische Veränderung

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durchläuft.

8. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) eine Linse aufweist, die einen peripheren Teil (29) und einen integral geformten zentralen Teil (32) hat, daß der periphere Bereich (29) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) den genannten peripheren Teil (29) der Linse enthält, daß der periphere Teil (29) der Linse eine gekrümmte äußere Oberfläche (31) für die Umlenkung der einfallenden Strahlung (16) aufweist, daß der zentrale Teil (20, 28.oder 32) der Ümlenkeinrichtung (12, Z7 oder 38) den genannten zentralen Teil (32) der Linse enthält, daß der zentrale Teil (32) der Linse gegenüberliegende ebene Oberflächen/aufweist, wobei die einfallende Strahlung (i6) den zentralen Teil (32) der Linse praktisch ohne optische Veränderung durchläuft.

9. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekenn-zeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) einen Reflektor (12) mit einem zentralen Reflektorteil (20) und einem peripheren Reflektorteil· (22) aufweist, daß der periphere Bereich (22 oder 29) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) den genannten peripheren Reflektorteil (.Z2) enthält, daß der periphere Reflektorteil eine konkave Konfiguration für die Umlenkung der einfallenden Strahlung (16) aufweist,und daß der zentrale Bereich (20, 28 oder 32) der Umlenkeinrichtung den zentralen Reflektorteil (20) enthält und dieser eine ebene Konfiguration zeigt.

10. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Bereich der Ausgangsebene (1if) eine Konfiguration mit mindestens einigen kleineren Dimensionen in mindestens einer Richtung bezogen auf .die entsprechenden Dimensionen der einfallenden Strahlung (16) aufweist, wobei die resultierende Strah-

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lung bei der Ausgangsebene ein geringeres Profil von höherer Intensität hat als das Profil der einfallenden Strahlung (16).

11. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) Mittel für die Verlegung von peripher verteilter einfallender Strahlung (26) enthält, welche von einem Paar gegenüberliegender Ränder der ungleichmäßigen Intensitätsverteilung gebildet ist, die in einer überlappenden Beziehung mit zentral verteilter Strahlung (29) verteilt wird, welche von dem verbleibenden Zentrum der ungleichmäßigen Intensitätsverteilung gebildet wird, um so eine resultierende Strahlung zu erzeugen, die eine wesentlich engere, flacher gewünschte Verteilung in der Ausgangsebene (14) aufweist.

12. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einfallende Strahlung (16) eine Gauß-Intensitäts-Verteilung (48) mit einem Zentralbereich (52) und einem Paar von gegenüberliegenden Randbereichen (54, 56) aufweist, die derart definiert sind, daß sie aufeinanderfolgende Abschnitte (62) von Strahlung aufweisen, daß der mittlere Bereich (20, 28 oder 32) der Umlenkeinrichtung so gestaltet und dimensioniert ist, daß die einfallende, von dem Zentralbereich der Gauß-Verteilung (48) repräsentierte Strahlung (16) hier hindurchgeht zu dem vorbestimmten Bereich der Ausgangsebene (14), wobei das vorbestimmte Gebiet aufeinanderfolgende

hat
Positionen darin definiert/, daß d^r periphere. Bereich (22 oder 29) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) so gestaltet und dimensioniert ist'-, daß :er- fortschreitend die aufeinanderfolgenden Segmente (62) der Strahlung zu den aufeinanderfolgenden Bereichen der Ausgangsebene (I4) verschiebt ., wobei der entfernteste Abschnitt/jedes Randes (54, 56) zu der nächsten erreichbaren Position

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in Bezug auf das Zentrum der einfallenden Strahlung (16) verschoben wird, welche durch den mittleren Bereich (20, 28 oder 32) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) hindurchgeht,und daß die Ränder (5*f> 56) der einfallen den Strahlungs-Intensitäts-Verteilung (16) umgefaltet sind, um die gewünschte Intensitäts-Verteilung (50) mit einer geringeren Weite und einem flacheren Profil zu erzeugen.

13· Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Bereich (22 oder 29) der Umlenkeinrichtung;- (12, 27 oder 38)eine modifizierte zylindrische Konfiguration aufweist, daß eine zylindrische Linse (80) zwischen dem peripheren Bereich der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) und der Ausgang^bene (14) angeordnet ist, daß die zylindrische Linse (80) so angeordnet ist, daß sie die Strahlung in eine im wesentlichen senkrecht zu derjenigen Richtung verlaufende Richtung .

/ausrichtet, m welcher die Strahlung von der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) modifiziert wird.

1if. Optische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Bereich (22 oder 29) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) eine radiale Symmetrie aufweist, und daß der zentrale Bereich (20, oder 32) der Umlenkeinrichtung (12, 27 oder 38) eine kreisförmige äußere Begrenzung aufweist.

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Dipl.-Ing. E. Eder DIpI.-Ing. K. ScMieschke β München 40, EIis#S§thstraBe

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