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Dokumentenidentifikation DE602004004882T2 08.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001604240
Titel OPTISCHES KONFOKALES GERÄT MIT AUSTAUSCHBAREM STRAHLTEILER
Anmelder Lauer, Vincent, Nogent sur Marne, FR
Erfinder Lauer, Vincent, 94130 Nogent sur Marne, FR
Vertreter Patentanwälte Munk, 86150 Augsburg
DE-Aktenzeichen 602004004882
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 12.03.2004
EP-Aktenzeichen 047200456
WO-Anmeldetag 12.03.2004
PCT-Aktenzeichen PCT/FR2004/000626
WO-Veröffentlichungsnummer 2004086124
WO-Veröffentlichungsdatum 07.10.2004
EP-Offenlegungsdatum 14.12.2005
EP date of grant 21.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20070123, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 21/06(2006.01)A, L, I, 20070123, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technischer Anwendungsbereich

Es handelt sich um eine konfokale optische Vorrichtung, die ein Mittel zur Veränderung des Strahlenteilerspiegels umfasst, der das zum beobachteten Objekt gelenkte Beleuchtungsstrahlenbündel von dem vom beobachteten Objekt kommenden abzutastenden Strahlenbündel trennt.

Frühere Technik

Die zeigt einen Teil einer konfokalen optischen Vorrichtung früherer Bauart. Ein von einem Laser 308 kommendes Lichtstrahlenbündel wird durch Linsen 300 und 301 aufgeweitet und kollimiert. Das etwa parallele Beleuchtungsstrahlenbündel FE, das die Linse 301 durchlaufen hat, wird anschließend durch den teilweise reflektierenden Spiegel 302 reflektiert und dann zur Linse 304 zurückgelenkt, die das Objektiv des Mikroskops oder eine Zwischenlinse sein kann. Die Linse 304 fokussiert das von einem Punkt des Rasters 300 kommende Beleuchtungsstrahlenbündel in einem beleuchteten Punkt 309 der Bildebene 307, die eine Zwischenbildebene oder direkt ein beobachtetes Objekt sein kann. Das von dem beleuchteten Punkt zurück kommende abzutastende Strahlenbündel FD durchläuft erneut in entgegen gesetzter Richtung die Linse 304 und durchläuft den teildurchlässigen Spiegel 302. Es durchläuft die Linse 305 und gelangt zu einem mikroskopischen Loch 306, das als Filter fungiert und in einer Brennebene der Linse 305 angeordnet wird. In der Abbildung befindet sich der teildurchlässige Spiegel 302 in einem afokalen Bereich, das heißt, das Beleuchtungsstrahlenbündel und das abzutastende Strahlenbündel sind in diesem Bereich etwa parallel. In der Konfokalmikroskopie wird jedoch der teildurchlässige Spiegel nicht notwendigerweise in einem afokalen Bereich angeordnet. Beispielsweise kann er auch in unmittelbarer Nähe des mikroskopischen Lochs angeordnet werden. Der teildurchlässige Spiegel 302 kann typischerweise ein dichroitischer Spiegel sein, der – im Falle eines Fluoreszenzmikroskops – die Anregungs- und Emissionswellenlängen trennt, oder ein wellenlängenneutraler Strahlenteiler zur Beobachtung des von einem zu beobachtenden Objekt reflektierten Lichts.

Damit das System funktioniert, muss der beleuchtete Punkt 309 mit dem mikroskopischen Loch 306 konjugiert sein. Die Positionierungsgenauigkeit des Spiegels 302 reicht jedoch nicht aus, um eine solche Konjugation zuverlässig wieder gewährleisten zu können, wenn der Spiegel durch einen anderen ersetzt wird, oder entfernt und dann wieder eingesetzt wird. In der Tat verändert jede Ungenauigkeit bei der Positionierung des Spiegels die Richtung des durch den Spiegel reflektierten Beleuchtungsstrahlenbündels, und verschiebt folglich den Beleuchtungspunkt, der dann nicht mehr mit dem mikroskopischen Loch konjugiert ist. Wenn es sich um einen dichroitischen Spiegel handelt, ist der Austausch des Spiegels 302 beispielsweise notwendig, um die Anregungswellenlänge zu verändern. Es kann auch mehrere unterschiedliche Beleuchtungslinien geben, die in den afokalen Bereich gelangen und jeweils durch einen teildurchlässigen Spiegel mit dem abzutastenden Strahlenbündel überlagert werden. In diesem Fall muss jeder Spiegel herausnehmbar sein, sodass man eine Beleuchtungslinie verwenden kann, ohne durch den zu einer anderen Beleuchtungslinie gehörenden Spiegel behindert zu werden.

Aus Gründen der Vereinfachung wurde in der die Scanvorrichtung nicht dargestellt, die beispielsweise ein Galvanometerspiegelpaar oder eine Vorrichtung zur Verschiebung des Prüfkörpers sein kann. Die lässt sich an den Fall einer Mehrpunktbeleuchtung anpassen, indem die Linse 300 durch ein Raster von Mikrolinsen ersetzt wird, und indem das mikroskopische Loch 306 durch ein Raster mit mikroskopischen Löchern ersetzt wird.

Das bei einem Wechsel des dichroitischen Spiegels auftretende Problem des Verlusts der Konjugation zwischen dem Fokussierungspunkt des Beleuchtungsstrahlenbündels im Objekt, der mit dem virtu-ellen Fokussierungspunkt des Beleuchtungslasers konjugiert ist, und dem mikroskopischen Loch zur Filterung, wird üblicherweise auf verschiedenen Wegen gelöst:

  • a) indem das Bild, das sich in der Ebene 306 bildet, erheblich vergrößert wird, sodass sich das mikroskopische Loch durch ein Loch mit größeren Abmessungen ersetzen lässt, und indem der dichroitische Spiegel in der Nähe dieses Lochs und nicht im afokalen Bereich angeordnet wird. Diese Lösung verlängert die Lichtwege beträchtlich und ist nicht auf den Fall eines Rasters mit mikroskopischen Löchern (Mehrpunktbeleuchtung) übertragbar. In letzterem Fall impliziert nämlich die Vergrößerung des Bildes die Vergrößerung des gesamten Rasters mit mikroskopischen Löchern, was zu Abmessungen des Rasters führt, die mit den normalen Abmessungen einer konfokalen Vorrichtung unvereinbar sind.
  • b) indem ein System zur Nachjustierung der Position des mikroskopischen Lochs vorgesehen wird.
  • c) indem die vorgenannten Lösungen kombiniert werden, um zu umfängliche oder zu häufige Nachjustierungen zu vermeiden, ohne den Lichtweg übermäßig zu verlängern.
  • d) indem man das Beleuchtungsstrahlenbündel das mikroskopische Loch durchlaufen lässt, und indem man den dichroitischen Spiegel vor dem mikroskopischen Loch auf dem Weg des Beleuchtungsstrahlenbündels, also hinter dem mikroskopischen Loch auf dem Weg des vom Objekt zurück kommenden Strahlenbündels anordnet. Diese Lösung vereinfacht zwar das System, ermöglicht aber keine Regulierung der Größe des mikroskopischen Lochs ohne gleichzeitige Auswirkungen auf das Beleuchtungsstrahlenbündel, und ermöglicht auch keine Korrektur der chromatischen Aberrationsdifferenzen zwischen dem Beleuchtungsstrahlenbündel und dem vorn beobachteten Objekt zurück kommenden abzutastenden Strahlenbündel. Sie schlägt sich also in einer Verringerung der Qualität der gewonnenen Bilder nieder. Diese Lösung ist diejenige, welche am häufigsten in den Mehrpunktsystemen zum Einsatz kommt, wenn ein problemloser Austausch eines Strahlenteilerspiegels gewünscht wird. Beispielsweise wird diese Lösung in den Systemen benutzt, die in der des US-Patents 5,162,941, in der des US-Patents 6,028,306, in der
    des Patentantrags PCT/FR01/02890 und in der
    des Patents DE 198 24 460 A1 dargestellt sind. Mit all diesen Systemen lässt sich trotz der Fehler bei der Positionierung des dichroitischen Spiegels ein wirklichkeitsgetreues Bild des beobachteten Objekts gewinnen.

Im US-Patentantrag 2002/0097484 wird eine im Einpunktmodus arbeitende konfokale optische Vorrichtung beschrieben, in der die meisten der oben erwähnten Probleme nicht auftreten. Insbesondere erfordert sie im Gegensatz zur Lösung (b) keine Justierungen. Außerdem passiert das Beleuchtungsstrahlenbündel im Gegensatz zur Lösung (d) nicht das mikroskopisches Loch, wodurch es möglich wird, das mikroskopische Loch unabhängig vom Beleuchtungsstrahlenbündel zu regulieren und die chromatische Aberrationsdifferenzen zwischen dem Beleuchtungsstrahlenbündel und dem abzutastenden Strahlenbündel zu korrigieren. Im Gegensatz zur Lösung (a) erfordert sie keine übermäßig langen Lichtwege.

Beschreibung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die oben erwähnten und mit den Lösungen (a) (b) und (d) im Zusammenhang stehenden technischen Schwierigkeiten zu beseitigen, jedoch in einer Konfiguration unter Verwendung einer Mehrpunktbeleuchtung. Ausgehend von dem US-Dokument 2002/0097484 geht es also darum, zu einer Mehrpunktkonfiguration zu gelangen, die zudem dieselben günstigen Eigenschaften aufweist wie das in dem US-Dokument 2002/0097484 beschriebene System.

Jedoch eignet sich das in dem US-Patentantrag 2002/0097484 beschriebene Prinzip nicht für ein Mehrpunktsystem. Wenn das in dem Patentantrag US 2002/0097484 beschriebene System unverändert mit einer Mehrpunktbeleuchtung benutzt wird, schlägt sich nämlich ein Positionierungsfehler bei der Rotation des in der dieses Patents ersichtlichen Strahlenteilerblocks 14 um eine vertikale Achse im Sinne der Abbildung in einer Rotation des Rasters der ausgeleuchteten Punkte nieder, weiche die Abtastung und die Rekonstruktion des Bildes verfälscht, und somit eine wirklichkeitsgetreue Abbildung des beobachteten Objekts verhindert. Es ist also notwendig, eine andere Lösung zu finden als die direkte Anpassung des in dem US-Patentantrag 2002/0097484 beschriebenen Systems an eine Mehrpunktbeleuchtung.

Aus diesem Grund besteht die Erfindung aus einer konfokalen optischen Vorrichtung zur Ausleuchtung mindestens eines beleuchteten Punkts (309) mit Hilfe eines Beleuchtungsstrahlenbündels, das von einer Lichtquelle (300) kommt und auf den beleuchteten Punkt fokussiert ist, und zur Fokussierung eines von dem beleuchteten Punkt kommenden abzutastenden Strahlenbündels auf ein zu dem beleuchteten Punkt gehöriges mikroskopisches Loch (306), welche umfasst:

  • – einen Strahlenteilerspiegel (321), welcher von einem ersten Strahlenbündel (FD) durchlaufen wird und ein zweites Strahlenbündel (FE) reflektiert, wobei das erste oder das zweite der beiden Strahlenbündel durch das Beleuchtungsstrahlenbündel (FE) gebildet wird, und das jeweils andere der beiden Strahlenbündel durch das abzutastende Strahlenbündel (FD) gebildet wird,
  • – einen Umlenkspiegel, der etwa parallel zum Strahlenteilerspiegel angeordnet und mit dem Strahlenteilerspiegel fest verbunden ist, wobei die gesamte, aus dem Umlenkspiegel und dem Strahlenteilerspiegel bestehende Baugruppe austauschbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass:
  • – sie so eingestellt ist, dass eine Vielzahl von ausgeleuchteten Punkten mit Hilfe einer Vielzahl von Beleuchtungsstrahlenbündeln ausgeleuchtet wird, und dass die von der Vielzahl der ausgeleuchteten Punkte kommenden abzutastenden Strahlenbündel auf eine Vielzahl mikroskopischer Löcher fokussiert werden.
  • – der Umlenkspiegel so angeordnet ist, dass er das zweite Strahlenbündel reflektiert.

Beispielsweise kann der Strahlenteilerspiegel ein dichroitischer Spiegel sein, und der Umlenkspiegel kann ein ausschließlich reflektierender Spiegel sein. Der Strahlenteilerspiegel kann auch ein teildurchlässiger Spiegel sein.

Wenn der Strahlenteilerspiegel unabhängig vom Umlenkspiegel angeordnet wäre, so würde sich ein Positionierungsfehler des Strahlenteilerspiegels auf die Richtung des zweiten Lichtstrahlenbündels auswirken, das dann nicht als reproduzierbar betrachtet werden könnte, wenn der Strahlenteilerspiegel aus dem Lichtweg heraus- und dann wieder hinein geschoben wird. Der Umstand, dass die beiden Spiegel fest miteinander verbunden sind, hat zur Folge, dass die Richtung des zweiten Strahlenbündels beim Austritt aus dem Strahlenteilerblock nicht durch die Positionierungsfehler des gesamten Strahlenteilerblocks beeinflusst wird. Denn nach der Reflexion an zwei zueinander parallelen Spiegeln nimmt ein Lichtstrahlenbündel wieder exakt seine ursprüngliche Richtung an, und zwar unabhängig von dem Winkel zwischen dem Strahlenbündel und den Spiegeln. Diese Eigenschaft unterscheidet die Erfindung von dem in dem US-Patentantrag Nummer 2002/0097484 beschriebenen System. Denn in dem US-Dokument 2002/0097484 reflektiert der Umlenkspiegel nicht das zweite Strahlenbündel: er reflektiert das erste Strahlenbündel, das heißt, der Umlenkspiegel und der Strahlenteilerspiegel reflektieren nicht dasselbe Strahlenbündel. In dem US-Dokument 2002/0097484 werden das zweite Lichtstrahlenbündel und das erste Lichtstrahlenbündel jeweils nur ein einziges Mal reflektiert, und ihre Richtung wird folglich, wie in der

des US-Dokuments 2002/0097484 ersichtlich ist, von den Positionierungsfehlern des Strahlenteilerblocks beeinflusst.

Es bestätigt sich auch, dass sich ein translatorischer Positionierungsfehler des Strahlenteilerblocks gemäß der Erfindung nicht auf die Lichtstrahlenbündel auswirkt, denn weder deren Position noch deren Richtung werden beim Eintritt in oder beim Austritt aus dem Strahlenteilerblock beeinflusst.

Jedoch genügt das Vorhandensein eines fest mit dem Strahlenteilerspiegel verbundenen und parallel zum Strahlenteilerspiegel angeordneten Umlenkspiegels nicht, um jegliche Empfindlichkeit des Systems gegenüber den Positionierungsfehlern des so gebildeten Strahlenteilerblocks auszuräumen. Ein Positionierungsfehler in der Rotation des Strahlenteilerblocks schlägt sich nämlich in einer entsprechenden Translationsbewegung des zweiten Lichtstrahlenbündels nieder, wenngleich die Richtung dieses Strahlenbündels unverändert bleibt. Diese Translation kann sich in einem Verlust der optischen Konjugation zwischen dem beleuchteten Punkt und dem mikroskopischen Loch niederschlagen.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem gelöst, indem der genannte Strahlenteiler- und der genannte Umlenkspiegel (also der Strahlenteilerblock) in einem afokalen Bereich angeordnet werden, in dem das Beleuchtungsstrahlenbündel und das abzutastende Strahlenbündel etwa parallel sind.

Dadurch, dass der Strahlenteilerblock in einem afokalen Bereich angeordnet wird, entspricht eine Richtung des Strahlenbündels am Strahlenteilerblock einem Punkt in einer Ebene, wo die Strahlenbündel fokussiert werden, und die Position eines solchen beleuchteten Punkts (und folglich die Konjugation zwischen dem Fokussierungspunkt des Beleuchtungsstrahlenbündels und dem mikroskopischen Loch) wird dann nicht von den Positionierungsfehlern des Strahlenteilerblocks beeinflusst, und zwar weder in der Rotation noch in der Translation.

Da die Position der ausgeleuchteten Punkte nicht von den Positionierungsfehlern des Strahlenteilerblocks beeinflusst wird, ist das System unbeeinflusst von der Rotation des Rasters von ausgeleuchteten Punkten, das in dem US-Patentantrag Nummer 2002/0097484 die Abtastung und die Rekonstruktion des Bildes verfälscht.

Der Strahlenteilerspiegel kann beispielsweise ein dichroitischer Spiegel oder ein wellenlängenneutraler teildurchlässiger Spiegel sein. Der Umlenkspiegel ist vorzugsweise ein total reflektierender Spiegel.

Um den Strahlenteilerblock austauschen zu können, umfasst die Vorrichtung gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Vielzahl von Strahlenteilerblöcken, die jeweils aus einem Strahlenteilerspiegel und einem entsprechenden Umlenkspiegel bestehen, und ein Mittel, um alternativ den einen oder den anderen der Strahlenteilerblöcke im Lichtweg anzuordnen. Dieses Mittel kann beispielsweise ein gleitender Schieber oder ein sich um seine Achse drehendes Rad sein.

Wenn der Strahlenteiler- und der Umlenkspiegel nicht exakt parallel sind, kann sich die Richtung des zweiten Strahlenbündels beim Austritt aus dem Strahlenteilerblock gegenüber seiner Richtung beim Eintritt in den Strahlenteilerblock geringfügig ändern. Um mehrere Strahlenteilerblöcke ohne den Verlust der Konjugation zwischen dem beleuchteten Punkt und dem mikroskopischen Loch austauschen zu können, müssen sämtliche austauschbaren Blöcke die gleiche Richtungsänderung der Strahlenbündel erzeugen, und zwar mit einer sehr hohen Genauigkeit. Dies ist mit Strahlenteilerblöcken, die sich aus mehreren Teilen zusammensetzen, schwer zu realisieren. In einer bevorzugten Version der Erfindung werden der Strahlenteilerspiegel und der Umlenkspiegel auf zwei gegenüberliegenden Flächen einer Planparallelplatte platziert. Diese Platte ist so angeordnet, dass:

  • – das zweite Strahlenbündel auf seinem Lichtweg nacheinander ein erstes Mal die Planparallelplatte durchläuft, an einem ersten Spiegel reflektiert wird, ein zweites Mal die Planparallelplatte durchläuft, an einem zweiten Spiegel reflektiert wird, und ein drittes Mal die Planparallelplatte durchläuft, wobei der erste oder der zweite der beiden Spiegel der Umlenkspiegel ist, und der jeweils andere der beiden Spiegel der Strahlenteilerspiegel ist,
  • – das erste Strahlenbündel auf seinem Lichtweg die Planparallelplatte und den Strahlenteilerspiegel durch-läuft.

Der Strahlenteilerspiegel und der Umlenkspiegel werden beispielsweise durch das Aufbringen dünner Schichten auf die Planparallelplatte realisiert. Die Platte muss hinreichend dick sein, um die wirksame Teilung der Lichtstrahlenbündel zu ermöglichen. Unter diesen Bedingungen genügt eine gute Parallelität der Flächen der Platten, die mehrere Strahlenteilerblöcke bilden, um zu gewährleisten, dass diese Blöcke untereinander austauschbar sind. Dies lässt sich in einer optischen Werkstatt problemlos bewerkstelligen. Wenn die Platten, die untereinander austauschbare Strahlenteilerblöcke bilden, keine exakt parallelen Flächen aufweisen, muss der Winkel zwischen diesen Flächen für sämtliche untereinander austauschbaren Strahlenteilerblöcke gleich sein.

Die Planparallelplatte, welche die Teilung der Lichtstrahlenbündel ermöglicht, ist ebenso integraler Bestandteil der Erfindung wie die konfokale Vorrichtung in ihrer Gesamtheit. Die Erfindung besteht also auch aus einem für eine konfokale optische Vorrichtung bestimmten Strahlenteilerblock, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er aus einer Planparallelplatte besteht, wobei

  • – eine erste Fläche der genannten Platte einen ersten Bereich enthält, in dem ein dichroitischer oder teilweise reflektierender Spiegel durch Aufbringen mindestens einer dünnen Schicht realisiert ist, welche dazu bestimmt ist, von einem ersten Lichtstrahlenbündel durchlaufen zu werden und ein zweites Lichtstrahlenbündel zu reflektieren,
  • – die erste Fläche der genannten Platte einen zweiten, nicht reflektierenden Bereich enthält, welcher dazu bestimmt ist, von dem zweiten Lichtstrahlenbündel durchlaufen zu werden,
  • – eine zweite Fläche der genannten Platte, welche der ersten Fläche gegenüber liegt, einen dritten Bereich enthält, in dem ein Umlenkspiegel durch Aufbringen mindestens einer dünnen Schicht realisiert ist, welche dazu bestimmt ist, das zweite Lichtstrahlenbündel zu reflektieren.
  • – die zweite Fläche der genannten Platte auch einen vierten, nicht reflektierenden Bereich enthält, welcher dazu bestimmt ist, von dem ersten und dem zweiten Lichtstrahlenbündel durchlaufen zu werden.

Tatsächlich ermöglicht ein solcher Strahlenteilerblock, ein erstes Lichtstrahlenbündel von einem zweiten Lichtstrahlenbündel zu trennen, ohne die Richtung dieser Strahlenbündel zu verändern. Er ist in erster Linie für den Einsatz in einem Konfokalmikroskop bestimmt, kann jedoch auch in anderen Vorrichtungen genutzt werden, die den reproduzierbaren Austausch eines Strahlenteilerblocks erfordern, der die Richtung der Lichtstrahlenbündel nicht verändert.

Kurzbeschreibung der Abbildungen

Die zeigt eine konfokale optische Vorrichtung früherer Bauart. Die zeigt das optische Prinzip der konfokalen optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die zeigt in Perspektivdarstellung einen Strahlenteilerblock gemäß der Erfindung. Die zeigt denselben Strahlenteilerblock als Schnittdarstellung. Die zeigt mehrere Strahlenteilerblöcke, die innerhalb eines gleitenden Schiebers zur Veränderung der Spiegel gemeinsam angeordnet sind. Die zeigt einen anderen Typ des Strahlenteilerblocks als Schnittdarstellung. Die zeigt einen gleitenden Schieber, der mehrere Strahlenteilerblöcke des in dargestellten Typs vereint. Die zeigt einen bevorzugten Typ des Strahlenteilerblocks. Die zeigt die gemeinsame Anordnung mehrerer Strahlenteilerblöcke des in der dargestellten Typs in einem gleitenden Schieber. Die zeigt eine im Einpunktmodus arbeitende konfokale Vorrichtung gemäß der Erfindung, in welcher der in dargestellte Strahlenteilerblock verwendet wird. Die zeigt eine im Mehrpunktmodus arbeitende konfokale Vorrichtung gemäß der Erfindung, in welcher der in dargestellte Strahlenteilerblock verwendet wird.

Ausführungsmodi

In der ist das optische Prinzip der Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Das System ist identisch mit demjenigen in der ; jedoch wurde der Strahlenteilerspiegel 302 durch den aus dem Strahlenteilerspiegel 321 und dem Umlenkspiegel 320 bestehenden Strahlenteilerblock ersetzt und im afokalen Bereich angeordnet. Es wurde nur ein einziges Beleuchtungsstrahlenbündel dargestellt, obwohl das System dafür gedacht ist, im Mehrpunktmodus zu arbeiten.

Die und zeigen einen besonderen Ausführungsmodus des Strahlenteilerblocks. Dieser enthält ein Glasbauteil 403 mit einer Fläche 401, auf welcher der Strahlenteilerspiegel realisiert ist, und einer Fläche 400, auf welcher der Umlenkspiegel realisiert ist. Ein zweites Glasbauteil 402 muss so angefügt werden, dass es den Weg desjenigen Teils des Strahlenbündels, der den Strahlenteilerspiegel durchläuft, nicht beeinträchtigt. Die Lichtwege des Beleuchtungsstrahlenbündels FE und des Abtaststrahlenbündels FD wurden mit punktierten Linien dargestellt. Wie in ersichtlich ist, können mehrere unabhängige Strahlenteilerblöcke 410, 411, 412 gemeinsam in einem gleitenden Schieber 414 angeordnet werden, wodurch sie sich nacheinander in den Lichtweg bringen lassen.

Eventuell kann der gleitende Schieber außer dem Block 413 nur einen einzigen Strahlenteilerblock 412 enthalten, und in diesem Fall dient er lediglich dazu, den Strahlenteilerblock zu positionieren oder zu entfernen. Generell ist es wünschenswert, eine sehr hohe Genauigkeit in der Parallelität zwischen den Flächen 400 und 401 und in der Parallelität zwischen den Flächen 404 und 406 zu haben, um zu verhindern, dass zwei verschiedene Strahlenteilerblöcke das Strahlenbündel in unterschiedliche Richtungen lenken. Falls jedoch nur ein Strahlenteilerblock 413 zum Einsatz kommt, ist diese Genauigkeit weniger von Bedeutung, denn sie wirkt sich kaum auf die Reproduzierbarkeit der Konjugationseigenschaften aus, wenn derselbe Block in Position gebracht, entfernt und wieder in Position gebracht wird. Die Flächen 404, 406, 405 müssen auch zueinander exakt parallel sein.

Die zeigt einen anderen Typ des Strahlenteilerblocks gemäß der Erfindung. Dieser enthält einen Träger 500, der mit Löchern versehen ist, um das Lichtstrahlenbündel passieren zu lassen, auf dessen Weg ein Strahlenteilerspiegel 501 und ein Umlenkspiegel 502 angeordnet sind. Das Beleuchtungsstrahlenbündel durchläuft das Loch 503, wird von dem Umlenkspiegel 502 reflektiert, von dem Strahlenteilerspiegel 501 reflektiert, und verlässt die Vorrichtung durch das Loch 504. Die Spiegel 501 und 502 sind durch eine auf Glasplatten aufgebrachte reflektierende Schicht realisiert. Sie werden durch federnde Stahlelemente, beispielsweise 505 und 506, die einen Druck auf die Peripherie der Spiegel ausüben, auf den Flächen des Trägers 500 gehalten. Sie können auch mit einer dünnen Schicht Klebstoff befestigt sein. Wenn der Träger 500 selbst aus Glas besteht, ist auch eine "molekulare Klebeverbindung" möglich. In einem einzigen gleitenden Schieber können mehrere Strahlenteilerblöcke gemeinsam angeordnet werden. Damit sich in diesem Fall diese Blöcke problemlos untereinander austauschen lassen, muss die Parallelität zwischen den Flächen, auf denen der Umlenkspiegel 502 beziehungsweise der Strahlenteilerspiegel 501 angeordnet sind, mit höchster Genauigkeit gewährleistet werden. Diese unumgängliche Anforderung lässt sich abmindern, indem mehrere Träger des in ersichtlichen Typs in einem Stück realisiert werden. Die zeigt beispielsweise einen Mehrfachträger 520, der teildurchlässige erste Spiegel 511 bis 514, die dem Spiegel 501 der entsprechen, ein Loch 510, und Löcher 521 bis 525, die dem Loch 503 der entsprechen, enthält. Eine gute Ebenheit der Flächen des auf diese Weise realisierten Mehrfachträgers genügt in der Tat, um eine gute Reproduzierbarkeit der Richtung des Strahlenbündels zu gewährleisten, und zwar selbst dann, wenn mehrere teildurchlässige Spiegel nacheinander verwendet werden, und wenn ein geringer Parallelitätsfehler zwischen den Flächen der beiden Spiegel 501 und 502 bestehen bleibt. Die Positionierung der Strahlenteiler- und Umlenkspiegel auf ihren Auflageflächen mit der erforderlichen Genauigkeit bleibt dennoch eine anspruchsvolle Aufgabe.

Die gleitenden Schieber können motorisiert werden. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Strahlenteilerblöcke auf einem Rad zu montieren, dass sich um eine Achse dreht, wodurch sich die Reibung gegenüber einem Gleitschiebersystem verringern und die Motorisierung erleichtern lässt.

Die zeigt einen bevorzugten Ausführungsmodus des Strahlenteilerblocks, mit dem sich ohne übermäßige technische Schwierigkeiten ein unabhängiger und leicht austauschbarer Strahlenteilerblock realisieren lässt. Es ist tatsächlich schwierig, die zuvor beschriebenen Ausführungsmodi mit der Genauigkeit umzusetzen, die notwendig ist, um die Austauschbarkeit der verschiedenen Strahlenteilerblöcke zu gewährleisten, ohne die von Punkt zu Punkt definierten Konjugationsbeziehungen zwischen den verschiedenen Bildebenen der Vorrichtung dieser Erfindung zu beeinträchtigen. Der in dargestellte Strahlenteilerblock löst dieses Problem. Er besteht aus einer hinreichend dicken Planparallelplatte 600, auf welcher der Strahlenteilerspiegel 602 durch Aufbringen einer dünnen Schicht realisiert wird (z.B. Mehrfachbeschichtung im Falle eines dichroitischen Spiegels), und auch der Umlenkspiegel 603 durch Aufbringen einer dünnen Schicht (typischerweise eine Metallschicht oder eine Mehrfachbeschichtung) realisiert wird. Das Beleuchtungsstrahlenbündel FE dringt in einem Bereich 604 in die Planparallelplatte ein, der reflexmindernd behandelt sein kann, durchläuft sie, und gelangt zum Umlenkspiegel 603, an dem es reflektiert wird. Es durchläuft erneut die Planparallelplatte und wird durch den Strahlenteilerspiegel 602 reflektiert. Es durchläuft ein letztes Mal die Planparallelplatte und verlässt diese dann im Bereich 601, der reflexmindernd behandelt sein kann. Das abzutastende Strahlenbündel FD dringt im Bereich 601 in die Platte ein, durchläuft sie, gelangt zum Spiegel 602, und durchläuft ihn. Wie in ersichtlich ist, können mehrere Strahlenteilerblöcke 701, 702, 703, 704 des in dargestellten Typs gemeinsam in einem gleitenden Schieber 700 angeordnet werden, was den Wechsel von einem Block zum anderen ermöglicht. Die Planparallelplatte kann typischerweise aus Glas bestehen, und die Herstellung zweier exakt paralleler Flächen einer Glasplatte bringt keine technologischen Schwierigkeiten mit sich. Die Abmessungen der Planparallelplatte hängen vom Durchmesser der Strahlenbündel ab und können typischerweise 15mm (Stärke bzw. Abstand zwischen den Flächen, die den Strahlenteilerspiegel 602 und den Spiegel 603 tragen) × 15mm (Breite) × 45 mm (Länge) betragen. Mit dieser Lösung lassen sich also zu einem akzeptablen Preis leicht untereinander austauschbare Strahlenteilerblöcke realisieren, die beispielsweise zur Montage auf Rädern oder gleitenden Schiebern bestimmt sind.

Diese Vorrichtung führt zu einem seitlichen Versatz der Lichtstrahlenbündel, der sich durch einen entsprechenden Versatz der in ersichtlichen Linsen kompensieren lässt. In Abwandlung der zeigt die exemplarisch den Fall der Verwendung der in beschriebenen Planparallelplatte 600. Die Nummerierungen der wurden beibehalten und um die in verwendeten Nummern 602 und 603 ergänzt, die dem Spiegel 321 bzw. 320 in der entsprechen. Die zeigt einen bevorzugten Ausführungsmodus der Erfindung unter Verwendung des in beschriebenen Strahlenteilerblocks. Ein kollimiertes Laserstrahlenbündel 800 wird durch das Mikrolinsenraster 801 in eine Vielzahl von Beleuchtungsstrahlenbündeln FE aufgetrennt. In der Abbildung ist eines dieser Strahlenbündel durch ausgezogene Linien und ein anderes durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Beleuchtungsstrahlenbündel durchlaufen anschließend die Linse 802, hinter der jedes Beleuchtungsstrahlenbündel etwa parallel ist. Sie werden von dem Spiegel 803 reflektiert. Die Beleuchtungsstrahlenbündel gelangen dann zum Strahlenteilerblock, der aus der Planparallelplatte 600 besteht. Sie treten in die Platte ein, werden von den Spiegeln 603 und 602 reflektiert, und treten dann wieder aus der Platte aus. Sie durchlaufen das Objektiv 804 und werden in beleuchteten Punkten des Objekts 807 fokussiert. Die von den ausgeleuchteten Punkten kommenden abzutastenden Strahlenbündel FD durchlaufen anschließend das Objektiv 804, durchlaufen die Planparallelplatte 600 und den Spiegel 602, durchlaufen die Linse 805 und werden auf die Löcher des Rasters mit mikroskopischen Löchern 800 fokussiert. Nicht dargestellt ist die Scanvorrichtung, die typischerweise ein zwischen der Planparallelplatte und dem Objektiv 804 angeordneter Galvanometerspiegel sein kann.

In den Abbildungen wird der Strahlenteilerspiegel stets von dem abzutastenden Strahlenbündel durchlaufen. Es ist jedoch ebenso möglich, dass das abzutastende Strahlenbündel reflektiert wird und das Beleuchtungsstrahlenbündel den Strahlenteilerspiegel durchläuft, was jedoch am Wesen der Erfindung nichts ändert.

Industrielle Anwendungen

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht den raschen und zuverlässigen Austausch des dichroitischen Spiegels in Konfokalmikroskopen, insbesondere denjenigen, die im Mehrpunktmodus arbeiten. Dieser Austausch wird beispielsweise bei der Beobachtung von Zellen benötigt, die mit mehreren fluoreszierenden Markern gekennzeichnet sind, um nacheinander Bilder zu erhalten, die jeweils einem der Marker entsprechen.


Anspruch[de]
Konfokale optische Vorrichtung zur Ausleuchtung mindestens eines Punkts (309) mit Hilfe eines Beleuchtungsstrahlenbündels, welches aus einer Lichtquelle (300) stammt und auf den genannten Punkt fokussiert ist, und zur Fokussierung eines abzutastenden Strahlenbündels, das von dem beleuchteten Punkt kommt, auf ein zu dem beleuchteten Punkt gehöriges mikroskopisches Loch (306), welche umfasst:

– einen Strahlteiler (321), welcher von einem ersten Strahlenbündel (FD) durchlaufen wird und ein zweites Strahlenbündel (FE) reflektiert, wobei das erste oder das zweite der beiden Strahlenbündel durch das Beleuchtungsstrahlenbündel gebildet wird (FE), und das andere der beiden Strahlenbündel durch das abzutastende Strahlenbündel (FD) gebildet wird,

– einen Umlenkspiegel, welcher in wesentlich parallel zum Strahlteiler angeordnet und fest mit dem Strahlteiler verbunden ist, wobei die gesamte, aus dem Umlenkspiegel und dem Strahlteiler bestehende Baugruppe austauschbar ist,

und die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

– sie ist so eingestellt, dass eine Vielzahl von Punkten mit Hilfe einer Vielzahl von Beleuchtungsstrahlenbündeln ausgeleuchtet wird, und dass die abzutastenden Strahlenbündel, die von der Vielzahl der ausgeleuchteten Punkte kommen, auf eine Vielzahl mikroskopischer Löcher fokussiert werden, und

– der Umlenkspiegel ist so angeordnet, dass er das zweite Strahlenbündel reflektiert.
Optische Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Strahlteiler und der genannte Umlenkspiegel in einem afokalen Bereich angeordnet sind, in welchem die Beleuchtungsstrahlenbündel und die abzutastenden Strahlenbündel etwa parallel sind. Optische Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (602) und der Umlenkspiegel (603) auf zwei gegenüber liegenden Seiten einer Planparallelplatte (600) angeordnet sind. Optische Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler und der Umlenkspiegel durch Aufbringen dünner Schichten auf die Planparallelplatte realisiert sind. Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Planparallelplatte so angeordnet ist, dass:

– das zweite Strahlenbündel (FE) auf seinem Weg zunächst die Planparallelplatte durchläuft, dann an einem ersten Spiegel reflektiert wird, ein zweites Mal die Planparallelplatte durchläuft, dann an einem zweiten Spiegel reflektiert wird, und noch ein drittes Mal die Planparallelplatte durchläuft, wobei der erste oder der zweite der beiden Spiegel der Umlenkspiegel ist, und wobei der andere Spiegel der Strahlteiler ist, und

– das erste Strahlenbündel (FD) auf seinem Weg durch die Planparallelplatte und durch den Strahlteiler läuft.
Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Strahlteiler ein dichroitischer Spiegel und der genannte Umlenkspiegel ein total reflektierender Spiegel ist. Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Strahlteiler ein wellenlängenneutraler Strahlenteiler und der genannte Umlenkspiegel ein total reflektierender Spiegel ist. Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von Strahlenteilerblöcken umfasst, welche jeweils einen Strahlteiler und einen entsprechenden Umlenkspiegel umfassen, und dadurch, dass sie ein Mittel umfasst, mit dem abwechselnd der eine oder andere der Strahlenteilerblöcke im Lichtweg platziert wird. Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Mittel ein gleitender Schieber ist. Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem genannten Mittel zum Platzieren um ein Rad handelt, welches sich um eine Achse dreht, und auf welchem die Teilerblöcke montiert sind. Strahlteilerblock für eine konfokale optische Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Planparallelplatte besteht, wobei

– eine erste Fläche der genannten Platte einen ersten Bereich enthält, in dem ein dichroitischer oder teilweise reflektierender Spiegel durch Aufbringen mindestens einer dünnen Schicht realisiert ist, welche dazu bestimmt ist, von einem ersten Lichtstrahlenbündel durchlaufen zu werden und ein zweites Lichtstrahlenbündel zu reflektieren,

– die erste Fläche der genannten Platte einen zweiten, nicht reflektierenden Bereich enthält, welcher dazu bestimmt ist, von dem zweiten Lichtstrahlenbündel durchlaufen zu werden,

– eine zweite Fläche der genannten Platte, welche der ersten Fläche gegenüber liegt, einen dritten Bereich enthält, in dem ein Umlenkspiegel durch Aufbringen mindestens einer dünnen Schicht realisiert ist, welche dazu bestimmt ist, das zweite Lichtstrahlenbündel zu reflektieren,

– die zweite Fläche der genannten Platte auch einen vierten, nicht reflektierenden Bereich enthält, welcher dazu bestimmt ist, von dem ersten und dem zweiten Lichtstrahlenbündel durchlaufen zu werden.






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