CN112051669A - 校正中心误差和/或角度误差的光学布置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种校正束路径(3)中的中心误差和/或角度误差的光学布置和方法。束路径(3)在此包括光学补偿的系统(4)，在该光学补偿的系统中存在至少两个光学元件(5、6)且它们相对于彼此对准，使得光学元件(5、6)的成像像差被补偿。根据本发明，校正单元(8)布置在束路径(3)的无穷远空间中且布置在至少两个光学元件(5、6)之间，其中所述校正单元(8)改变辐射沿着束路径(3)传播的传播方向，且校正单元(8)具有反射表面或者被实施为对于辐射是透射的。校正单元(8)是可调节的，使得可以设定传播方向变化的角度。

Description

校正中心误差和/或角度误差的光学布置和方法

技术领域

本发明涉及一种校正中心误差(centration errors)和/或角度误差的光学布置和方法。

背景技术

在诸如光学显微镜的成像光学系统中，由于诸如透镜、反射镜等的光学元件而发生成像像差。所述成像像差可通过适当地选择和组合单独元件来补偿，从而使得具有多个单独透镜的光学系统没有或几乎没有成像像差。

补偿成像像差所需的复杂度(例如进行充分校正或补偿所需的光学元件的数目)取决于数值孔径(NA)和视场角或视场。下面，术语“成像像差的补偿”将主要用在光学元件被选择且以有目标的方式相对于彼此对准以补偿成像像差的时候。因此，补偿可以理解为很大程度上是减少成像像差的静态措施。

相反，如果例如光学元件在束路径中的位置和/或角位置发生主动改变，则下文将很大程度上指的是校正。

光学系统由产生成像的表示或中间成像的表示的多个组件构成。在每个中间成像的表示中都不需要相同的校正质量。因此，还可以通过使光学元件的组相对于彼此对准来补偿成像像差。

这种分组的过程使得误差减少更加容易。此外，显著改进了最终的成像质量，并且由于成像元件的数目相对较少，因此系统的总传输率更大。具有被协调以使得尽可能多地补偿成像像差的元件的光学系统在德语中也被称为“Kompenssysteme”(补偿的系统)，并且是从现有技术中已知的。这样的系统的一个示例是显微镜中的物镜和镜筒透镜。在这些情况下，例如，由于物镜引起的像场和横向色差通过镜筒透镜的效应被补偿。在物镜和镜筒透镜之间，中间像位于无穷远处，并且因此该区域也被称为束路径的无穷远空间。

在具有例如居中透镜或反射镜的旋转对称系统中，大多数成像像差随着距光轴或场中心的距离增加而增加。在许多像差中，像差在场之上的振幅至少朝着组件的场中心成二次方地增加。一阶横向色差随距场中心的距离线性地增加。然后，像点的位置取决于波长和距光轴的距离。

图1a作为示例示意性地示出了具有显微镜物镜5和镜筒透镜6的补偿的系统4。显微镜物镜5(上部部分图像)和镜筒透镜6(中间部分图像)的横向色差随物场增加，并且然后再次作为一个组彼此补偿(底部局部图像)。

图1b中，镜筒透镜6的场(中间部分图像)相对于显微镜物镜5(上部部分图像)偏心。横向色差不再彼此补偿，而是在偏心方向上保持恒定的横向色差，作为所得到的横向色差(底部部分图像)。取决于对场的依赖程度，甚至增强了该效应。

光学系统的偏心很容易通过对准来补救。然而，经常在补偿的系统4(诸如物镜5和镜筒透镜6)的光学元件之间或在补偿的系统4内附加地出现不同的可更换和/或可设定的光学元件。这样的附加的光学元件例如是反射器转台上的分束器、光学传感器的突起或显微镜的不同入口/出口、切换光束路径的元件、变焦或倍率交换器、滤光器转台上的滤光器等。

当所述附加的光学元件被移动时，从物镜5到镜筒透镜6的场的共轴性可能被无意地改变。

因此，可能在每次致动操作之后，单独地对准附加光学元件中的每一个使得在束路径的无穷远空间内不发生角度误差是必要的。这是高度复杂的，并且例如由于安装件和轴承中出现的制造公差和/或磨损而不可能对所有附加的光学元件都实现。

通常，从现有技术中已知校正成像像差的可能性，例如横向色差。在那些可能性中，以有目标的方式产生成像像差，其在方向和绝对值方面抵消系统上发生的成像像差以及因此带来结果校正。

例如，WO 2018/024786 A1公开了一种具有照明光学单元的光片显微镜或共聚焦显微镜，该照明光学单元用于各沿着从照明光学单元的照明侧到照明光学单元的样品侧的一个波长相关的束路径传输来自至少一个光源的至少两个波长的光。

显微镜具有横向色彩校正装置，该横向色校正装置具有至少一个光学横向色彩校正元件。至少两个不同波长的束路径在横向色彩校正元件的样品侧出口处具有彼此平行的偏移和/或关于照明侧相对于彼此的倾斜。在照明光学单元的样品侧上，偏移导致至少两个波长的焦点相对于照明光学单元的光轴的横向偏移。偏移彼此相反地延伸，并且因此导致校正。

发明内容

本发明的目的是提出一种可能性，特别是在补偿的系统中，用于校正中心误差和/或角度误差。

该目的通过根据权利要求1的光学布置和根据权利要求7的方法来实现。有利的发展例是从属权利要求的主题。

校正中心误差和/或角度误差的光学布置在束路径中包括光学补偿的系统，其中存在至少两个光学元件且它们相对于彼此对准，使得光学元件的成像像差为-尽可能-被补偿。为了实现成像像差的补偿，关于光学元件的光学效果，对光学元件进行选择和协调。

根据本发明的布置的特征在于，校正单元布置在束路径的无穷远空间中且布置在至少两个光学元件之间。由于校正单元的作用，辐射的沿束路径传播的传播方向发生改变。校正单元具有反射表面，或者校正单元被实施为对于辐射是透射的。此外，校正单元是可调节的，使得可以设定传播方向变化的角度。无穷远空间是束路径的一部分，其中光线彼此平行地穿过束路径通行。

本发明的核心是基于对光场(例如物场)发生的中心误差的校正。光场的中心误差也被称为角度误差。因此，校正了补偿的系统的两个光学元件之间的场的共轴性。

束路径中的物场可能会偏心，这是由补偿的系统的光学元件的倾斜引起。该倾斜相对于虚拟参考射线发生，该参考射线相对于第一光学元件的光轴共线延伸。通过校正中心误差和/或角度误差，降低或消除了偏心和/或倾斜。

成像像差特别是横向色差、轴向色差、彗差或像散。使用补偿的系统以及必要时使用校正单元可以将这些像差最小化或消除。

补偿的系统的光学元件可以包括多个光学部件中的每一个，诸如透镜和光阑或组件。例如，显微镜的物镜典型地由多个光学部件构成。

在光学布置的一种可能的实施方式中，校正单元具有反射镜。后者有利地是以可控制的方式可设定的，并且可能例如通过使射线偏转一角度绝对值来校正光学布置的中心误差。

此外或替代地，校正单元可以具有棱镜对。在此，每个棱镜绕相关棱镜的入射面的法线是可旋转的。该棱镜对中的棱镜可以形成为单个件，或者由多个部分构成。

任何现有的中心误差都可以按需要校正，例如手动地校正。在一个有利的发展例中，校正单元是以控制或反馈控制的方式可设定的。为此，例如存在驱动件，该驱动件通过对应的控制单元是可控制的。在反馈控制的情况下，可以存在至少一个传感器，该传感器捕获的测量值用作反馈控制的基础。

在光学布置的其他实施方式中，补偿的系统的光学元件中的至少一个光学元件可以相对于束路径倾斜。因此，可以相对于束路径的光轴设定相关光学元件的角度。

为了补偿该补偿的系统的光学元件中的一个的任意倾斜，检测器还可以布置在像侧的下游，用于在束路径中捕获图像数据，并且补偿的系统设计成能够被倾斜。由于检测器的倾斜，因而可以补偿由于补偿的系统的倾斜的光学元件引起的物场倾斜。

在本发明的所有实施例中，可以通过致动绕一个轴线(一维)或绕至少两个轴线(二维)的运动(特别是旋转)来校正中心误差。

该目的附加地通过根据本发明的校正光学布置的束路径中的中心误差的方法来实现。该方法包括以下步骤：测量当前的成像像差，并确定校正单元的目标位置作为校准值。选择的目标位置是在基于系统的可能性的框架内使当前成像像差最小化的位置。

控制校正单元，使得其进入目标位置。测量当前成像像差，并且将测量结果与允许的公差值进行比较。如果当前的像差超过允许的公差值，则确定新的目标位置。如果当前成像像差低于允许的公差值，换句话说，如果当前成像像差位于允许的公差限制内，则该方法可以结束。

成像像差特别是横向色差、轴向色差、彗差或像散。通过本发明，这些像差中的至少一个被最小化或被设定为最小值。

在本发明的其他实施例中，校正中心误差和/或角度误差的方法包括以下步骤：限定物场，并且在物场的中心处布置样品。随后，确定样品的成像的表示在像场中的位置作为参考位置。将所确定的像场位置与期望的像场位置进行比较，并且将找到的偏差储存为校准值。根据校准值，生成控制校正单元的控制命令。

可以在补偿的系统的束路径中布置其他光学单元，例如滤光器轮。如果例如通过旋转滤光器轮将布置在补偿的系统的光学元件之间的束路径中的光学单元更换成另一光学单元，则可能需要新的定心，或者可以检查当前定心的准确度。为此，可以重复以下步骤：确定样品的成像的表示在像场中的位置(参考位置)，生成控制命令以及控制校正单元。

在该方法的有利实施例中，确定的校准值可以被储存。特别是可以储存关于在各个情况下位于束路径中的光学元件和/或光学单元的所确定的校准值，因此可以重复地存取所储存的值。为此，以可重复撷取的方式储存校准值。

为了存取所储存的校准值，在该方法的一种实施方式中确定哪个光学元件和/或光学单元作为当前配置位于补偿的系统的束路径中。根据确定的当前配置，撷取相关联的储存的校准值，并且基于所撷取的校准值生成控制命令。

使用根据本发明的光学布置和根据本发明的方法，不仅可以校正横向色差，而且可以校正存在的其他像差。例如，除了上面已经提到的成像像差以外，还可以校正在交换可更换部件时基于公差的那些像差。有利地，所有与光瞳无关而是仅与位置相关的像差(例如像场曲)都可以被校正。如果校正单元位于引起角度误差的元件附近，则可以补偿补偿的系统的光瞳相关的像差。在最小横向色差的情况下，还使所有其他成像像差最小化。

有利地，本发明可以特别是与显微镜支架和激光扫描显微镜(LSM)或高分辨率显微镜(PALM、SIM、STED)组合使用，因为这些特别容易受到成像像差，特别是横向色差的影响。在无穷远空间中使用大量可更换部件的显微镜支架中，其他应用也是可能的。这样的可更换的部件例如是分束器转台、后-放大倍率交换器、物镜转台和发射滤光器。

附图说明

下面基于实施例和附图更详细地解释本发明。附图中：

图1a示出了具有显微镜物镜和镜筒透镜的补偿的系统的示意图，还示出了显微镜物镜的横向色差(上部部分图像)、镜筒透镜(中间部分图像)和得到的横向色差(底部局部图像)，其中得到的横向色差为零；

图1b显示了显微镜物镜的横向色差(上部部分图像)、镜筒透镜(中间部分图像)和得到的横向色差(底部部分图像)的示意图，其中得到的横向色差不等于零；

图2示出了根据本发明的光学布置的第一示例性实施例的示意图，该光学布置在像平面中具有发生的中心误差和横向色差；

图3示出了根据本发明的光学布置的第一示例性实施例的示意图，该光学布置在像平面中具有校正的中心误差且没有残余的横向色差；

图4示出了根据本发明的光学布置的第二示例性实施例的示意图，该光学布置在束路径的无穷远空间中具有棱镜对；

图5示出了棱镜对以及驱动件和控制单元的示意图；

图6示出了根据本发明的光学布置的第三示例性实施例的示意图，该光学布置在束路径的无穷远空间中具有校正单元和附加的光学元件；以及

图7示出了根据本发明的光学布置的第四示例性实施例的示意图，其中，补偿的系统的光学元件和检测器中的一个设计为使得它们能够倾斜。

具体实施方式

作为本发明的第一示例性实施例，图2示出了具有光学布置2的显微镜1。物镜5和镜筒透镜6作为补偿的系统4的光学元件存在于补偿的系统4的束路径3中。在物镜5和镜筒透镜6之间的束路径3的无穷远空间中，在束路径3的光轴7上存在包括反射镜9的校正单元8。所述反射镜9通过由驱动件10进行的控制或反馈控制是可调节的，其中驱动件10通过控制单元11的控制命令是可控制的。通过物镜5捕获的辐射从物场12(在要成像和/或观察的样品(未示出)上或中)沿光轴7行进到第一可更换部件14和第二可更换部件15，它们分别作为束路径3中的反射附加光学单元。第二可更换部件15基于其相对于光轴7的位置具有角度误差α。以该角度误差α偏转的辐射入射到校正单元8的反射镜9上并且被反射朝向镜筒透镜6，通过其效果，辐射聚焦在像场13的平面处。可以将捕获图像数据的检测器布置在像场13的平面中。

由于辐射上施加的角度误差α，作为示例示出的射线路径没有沿光轴7聚焦到像场13中，而是与光轴7发生偏离。在此，偏离的绝对值还取决于所捕获的辐射的波长。图2作为示例示出了两个波长的射线的轮廓，该两个波长的射线在像面13中的入射点由于横向色差而远离光轴7。

如果确定这样的横向色差，或者如果需要的校准值可撷取地保存在数据库中，则对应的控制命令通过控制单元11生成并且发送到驱动件10。驱动件10用于使校正单元8的反射镜9倾斜校正角β。校正角β选择为使得所有波长的射线再次入射在光轴7上、进入像平面13或检测器18上，并且不再发生横向色差(图3)。

在本发明的其他实施方式中，特别是控制单元11的方法和配置的其他实施方式中，可以校正替代的或附加的成像像差，诸如轴向色差、彗差和/或像散。

校正单元8可以实施为使可调节的反射镜9围绕笛卡尔坐标系的x轴x、y轴y、和/或z轴z倾斜，并且对应地，还可以校正多轴角度误差。

根据图4的第二示例性实施例中的校正单元8可以具有由第一棱镜16和第二棱镜17构成的(差分)棱镜对。两个棱镜16、17可以分别旋转并且以驱动件10控制的方式彼此独立地绕着相关棱镜16、17的入射面的法线旋转。驱动件10设计为用于每个单独棱镜16、17的传递运动。

图5中图示了这种棱镜对的动作方式。沿着光轴7入射到第一棱镜16的入射面上的光线在前面箭头的方向上被第一棱镜16的效应偏转。由于第二棱镜17的效应，发生中间箭头方向上的偏转。射线通过棱镜对后的实际有效偏转效应和方向根据两个棱镜效应的矢量相加而获得，并且通过束路径3在后面箭头的方向上来表征。

有效的棱镜效应有利地设定为使得像场13的平面中的横向色差被校正。棱镜对的横向色差可以附加地用于校正横向色差。后者在像场13之上是恒定的。在最佳校正的横向色差的情况下，像场13的中心在此稍微偏移。

改进的实施例包括使用两个消色差棱镜16、17，由此在最佳校正的横向色差的情况下可以补偿像场中心的偏移。差分棱镜对的每个棱镜16、17例如由两个单独的棱镜构成，所述两个单独的棱镜有利地接合或胶合在一起，并且由具有不同色散性质的材料(例如玻璃)制成。

图6中示出了根据本发明的光学布置2的第三示例性实施例，该光学布置在束路径3的无穷远空间中具有校正单元8和两个附加的光学元件9、14。校正单元8布置在物镜5的下游且其自身实施为第一可更换部件14。后者是可调节的且附加地充当校正单元8。由第二可更换部件15引起的角度误差α通过使校正单元8对应地倾斜了校正角β而得到校正。第二可更换部件15例如是反射器转台、输出耦合反射镜或附加的分束器转台。

在第四示例性实施例中，在图示的镜筒透镜6的情况下，补偿的系统4的光学元件中的至少一个是以控制的方式可移动的，特别是能够倾斜的(图7)。

在此，可以相对于无穷远空间中当前有效的不同附加的可更换部件14、15单独地设定镜筒透镜6。随着镜筒透镜6的倾斜或倾向，要被清晰地成像到像场13的平面中的物场12的倾斜也发生改变。可选地，像场13(例如相机传感器或相机的形式的检测器13)可以被倾斜以补偿该倾斜并且能够捕获垂直照明的像场13。

在根据图7的示例性实施例中，由于第二可更换部件15而将角度误差α引入到束路径3中。通过采用控制单元11和驱动件10使镜筒透镜6相应地倾斜了校正角β来补偿所述角度误差。此外，通过采用驱动件10倾斜所用的检测器18，对应地倾斜像场13。

附图标记

1 显微镜

2 光学布置

3 束路径

4 补偿的系统

5 物镜

6 镜筒透镜

7 光轴

8 校正单元

9 反射镜

10 驱动件

11 控制单元

12 物场

13 像场

14 第一个可更换部件

15 第二个可更换部件

16 第一棱镜

17 第二棱镜

18 检测器/相机

α 角度误差

β 校正角度

Claims (11)

1.一种校正中心误差和/或角度误差的光学布置，在束路径(3)中包括：

-光学补偿的系统(4)，其中存在至少两个光学元件(5、6)且它们相对于彼此对准，使得所述光学元件(5、6)的成像像差被补偿；

其特征在于，

-校正单元(8)布置在所述束路径(3)的无穷远空间中且布置在所述至少两个光学元件(5、6)之间，其中所述校正单元(8)改变沿着所述束路径(3)传播的辐射的传播方向，且所述校正单元(8)具有反射表面或者被实施为对于所述辐射是透射的，并且

-所述校正单元(8)是可调节的，使得能够设定所述传播方向变化的角度。

2.根据权利要求1所述的光学布置，其特征在于，所述校正单元(8)具有反射镜(9)。

3.根据权利要求1或2所述的光学布置，其特征在于，所述校正单元(8)具有棱镜对(16、17)，并且每个棱镜(16、17)绕相关棱镜(16、17)的入射面的法线是可旋转的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学布置，其特征在于，所述校正单元(8)是以控制的方式或反馈控制的方式可调节的。

5.根据前述权利要求中的一项所述的光学布置，其特征在于，所述补偿的系统(4)的光学元件(5、6)中的一个光学元件能够相对于所述束路径(3)倾斜。

6.根据权利要求5所述的光学布置，其特征在于，检测器(18)能够相对于所述束路径(3)倾斜，其中由于所述补偿的系统(4)的倾斜的光学元件(5、6)而发生的物场倾斜通过所述检测器(18)的倾斜来补偿。

7.一种校正根据权利要求1至6中的任一项所述的光学布置的束路径(3)中的中心误差和/或角度误差的方法，包括以下步骤：

-测量当前成像像差并且确定校正单元(8)的目标位置为校准值，该目标位置使得所述当前成像像差最小化；

-将所述校正单元(8)移动到所述目标位置中；

-测量所述当前成像像差并且将其与允许的公差值进行比较；

-如果所述当前成像像差超过所述允许的公差值，则确定新的目标位置；或者，如果所述当前横向色差低于所述允许的公差值，则该方法结束。

8.一种校正根据权利要求1或2所述的光学布置的束路径(3)中的中心误差和/或角度误差的方法，包括以下步骤：

-限定物场(12)，并且在所述物场(12)的中心处布置样品；

-确定所述样品的成像的表示在所述像场(13)中的位置作为参考位置，并且将所确定的像场位置与期望的像场位置进行比较作为校准值；

-生成对应于所述校准值的控制命令并且控制所述校正单元(8)。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于，

-将布置在所述补偿的系统(4)的光学元件(5、6)之间的束路径(3)中的至少一个光学单元(14、15)更换为另一光学单元(14、15)，以及

-重复以下步骤：确定所述样品的成像的表示在像场(13)中的位置作为参考位置，生成控制命令，以及控制所述校正单元(8)。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，以可重复撷取的方式储存关于在各个情况下位于所述束路径(3)中的光学元件(5、6)和/或光学单元(14、15)的确定的校准值。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于，

-确定位于所述补偿的系统(4)的束路径中的光学元件(5、6)和/或光学单元(14、15)作为当前配置的步骤；

-撷取根据所确定的配置所储存的校准值的步骤；以及

-基于所撷取的校准值生成控制命令的步骤。

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