DE10035688B4

DE10035688B4 - Optische Anordnung

Info

Publication number: DE10035688B4
Application number: DE10035688A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Phys. Dr. Engelhardt; Jürgen Dipl.-Phys. Dr. Hoffmann
Original assignee: Leica Microsystems Heidelberg GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: DE10035688A1; GB0117156D0; GB2366115A; US20020030885A1; US6900935B2; GB2366115B; JP2002107636A

Abstract

Optische Anordnung zum Scannen eines Objektes, mit einer Beleuchtungslichtquelle (1) und einer zwischen der Beleuchtungslichtquelle (1) und dem Objekt angeordneten Glasfaser (3), die das Beleuchtungslicht (14) entlang einer vorgebbaren Strecke zu einer Scanspiegelanordnung (9) transportiert, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konstanthaltung der Intensität des von der Scanspiegelanordnung (9) abgehenden Scanstrahls die Scanspiegelanordnung (9) mit einer vorgegebenen Polarisation des Beleuchtungslichtes (14) beaufschlagbar ist, wobei diese Polarisation unabhängig von der Polarisation des in die Glasfaser (3) eingespeisten Beleuchtungslichtes (14) durch die Glasfaser (3) festgelegt ist und diese somit als polarisierende Glasfaser (3) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung zum Scannen eines Objektes, mit einer Beleuchtungslichtquelle und einer zwischen der Beleuchtungslichtquelle und dem Objekt angeordneten Glasfaser, die das Beleuchtungslicht entlang einer vorgebbaren Strecke zu einer Scanspiegelanordnung transportiert.
Optische Anordnungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren insbesondere in Form von Mikroskopen. Derartige Mikroskope können durch konfokale Scanmikroskope gebildet sein. In der Scanmikroskopie wird eine Probe oder ein Objekt mit einem Beleuchtungslichtstrahl abgerastert. Hierzu werden häufig Laser als Lichtquelle eingesetzt. Das Beleuchtungslicht der Laser wird oft mit Glasfasern zur Mikroskopoptik transportiert. Das vom Laser erzeugte Beleuchtungslicht ist fast immer linear polarisiert, da meistens mindestens ein Brewsterfenster im Laserresonator angeordnet ist. Bei Halbleiterlasern findet der Elektronenübergang nur senkrecht zur p-n-Grenzschicht statt, so dass auch hier linear polarisiertes Licht resultiert.
Speziell in der konfokalen Scanmikroskopie wird eine Probe oder ein Objekt mit dem Fokus des Beleuchtungslichtstrahls in drei Dimensionen abgetastet. Ein konfokales Rastermikroskop umfasst im Allgemeinen eine Lichtquelle, eine Fokussieroptik, mit der das Licht der Lichtquelle auf eine Lochblende – die sogenannte Anregungsblende – fokussiert wird, einen Strahlteiler, eine Scaneinrichtung zur Strahlsteuerung, eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichts. Das Beleuchtungslicht wird meist über einen Hauptstrahlteiler eingekoppelt. Das von der Probe oder dem Objekt kommende Fluoreszenz- oder Reflexionslicht gelangt über dieselbe Scaneinrichtung bzw. dieselben Scanspiegel zurück zum Strahlteiler bzw. Hauptstrahlteiler und passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren, meist Photomultiplier, befinden. Detektionslicht, das nicht direkt aus der Fokusregion stammt, nimmt einen anderen Lichtweg und passiert die Detektionsblende nicht, so dass man eine Punktinformation erhält, die durch sequentielles Abtasten der Probe oder des Objekts zu einem dreidimensionalen Bild führt. Meist wird ein dreidimensionales Bild durch schichtweise Bilddatennahme erzielt.

Aus der US 5 161 053 ist ein konfokales Mikroskop bekannt, bei dem Licht einer externen Lichtquelle mit Hilfe einer Glasfaser zum Strahlengang des Mikroskops transportiert wird und das Ende der Glasfaser als Punktlichtquelle dient, so dass eine mechanische Blende überflüssig ist.

Die Reflexivität bzw. Transmissivität von Strahlteilern und die Reflexivität von Scanspiegeln ist im Allgemeinen polarisationsabhängig. Auch hochwertige Strahlteiler können hinsichtlich einer Polarisationsunabhänigkeit nicht vollständig optimiert werden, so dass immer Unterschiede des Reflexions- und Transmissionsverhaltens bezüglich s- und p-Polarisation auftreten. Wenn die Richtung der Linearpolarisation des Beleuchtungslichtstrahls schwankt, was insbesondere bei der Einkopplung des Lichts mit einer Glasfaser häufig auftritt, so kommt es zu störenden Beleuchtungslichtschwankungen an der Probe oder dem Objekt und folglich auch zu Detektionslichtschwankungen. Die Schwankung oder Drehungen der Linearpolarisation in einer Monomode-Glasfaser sind auf mechanische Bewegungen der Faser zurückzuführen, die eine Spannungsdoppelbrechung hervorrufen.

Mit Hilfe von polarisationserhaltenden Fasern lässt sich dieses Problem beseitigen, wobei sich eine neue Problematik dahingehend ergibt, dass die Linearpolarisation des Laserlichts bei der Einkopplung in die Faser die richtige Orientierung zur Faservorzugsachse haben muss. Relativbewegungen zwischen Laser und Faser führen folglich auch zu Änderungen der Transmission durch die Faser, was unter anderem die optische Justierung erschwert.

Aus der DE 198 29 981 A1 ist eine gattungsbildende optische Anordnung bekannt. Von einer Beaufschlagung des Scanspiegels mit polarisiertem Licht unter Beibehaltung der Polarisationsebene ist dort jedoch nicht die Rede.

Die DE 297 12 145 U1 zeigt für sich eine polarisierende Glasfaser zur spektralen Verbreiterung von Laserpulsen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der Schwankungen der Beleuchtungslichtleistung ohne eine Erschwernis bei der optischen Justierung der Anordnung auf einfache Weise weitestgehend vermieden sind.

Erfindungsgemäß ist die voranstehende Aufgabe durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die optische Anordnung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass zur Konstanthaltung der Intensität des von der Scanspiegelanordnung abgehenden Scanstrahls die Scanspiegelanordnung mit einer vorgegebenen Polarisation des Beleuchtungslichtes beaufschlagbar ist, wobei diese Polarisation unabhängig von der Polarisation des in die Glasfaser eingespeisten Beleuchtungslichtes durch die Glasfaser festgelegt ist und diese somit als polarisierende Glasfaser ausgebildet ist.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass die Verwendung einer polarisierenden Glasfaser als Glasfaser die obige Aufgabe auf überraschend einfache Weise löst. Mit einer derartigen polarisierenden Glasfaser ist die Polarisation des aus der Glasfaser austretenden Lichts nur durch die Orientierung der Faservorzugsachse bestimmt und weitgehend unabhängig von der Polarisation und der Po- larisationsrichtung des Lichts der Lichtquelle. Mit anderen Worten ist durch die Orientierung der Faservorzugsachse eine Einstellung der Polarisation des Lichts nach der Glasfaser und vor dem Objekt möglich. Schwankungen der Beleuchtungslichtleistung aufgrund von Polarisationsschwankungen sind dadurch weitestgehend vermieden. Des Weiteren ist eine Erschwernis der optischen Justierung der optischen Anordnung, wie sie bei der Verwendung von polarisationserhaltenden Fasern auftritt, ebenfalls vermieden.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung eine optische Anordnung bereitgestellt, bei der Schwankungen der Beleuchtungslichtleistung ohne eine Erschwernis bei der optischen Justierung der Anordnung auf einfache Weise weitestgehend vermieden sind.

Bei der optischen Anordnung kann unter dem Objekt einerseits eine zu untersuchende Probe und andererseits ein zu beleuchtender Gegenstand oder ein zu beleuchtendes System wie beispielsweise die Optik eines Mikroskops verstanden werden.

Bei einer konkreten optischen Anordnung könnten mehrere Lichtquellen zur Beleuchtung des Objekts vorgesehen sein, wobei sich das Licht der einzelnen Licht quellen spektral unterscheiden könnte. Hierdurch lässt sich eine große Vielseitigkeit beispielsweise eines Mikroskops erreichen.

Bei Vorhandensein mehrerer Lichtquellen könnten auch mehrere polarisierende Glasfasern zwischen den Lichtquellen und dem Objekt vorgesehen sein. Dabei könnte jeder Lichtquelle eine polarisierende Glasfaser zugeordnet sein. Hierdurch ist ein sicherer Transport des Beleuchtungslichts von den Lichtquellen zu dem Objekt ohne Schwankungen der Beleuchtungslichtleistung ermöglicht.

Zur Einstellung der Polarisationsrichtung des Lichts könnte in Beleuchtungsstrahlrichtung nach der Glasfaser oder den Glasfasern eine Polarisationsdreheinrichtung angeordnet sein. Hierdurch ist eine sichere Anpassung der Polarisationsrichtung des aus der Glasfaser oder den Glasfasern austretenden Lichts an das Objekt ermöglicht.

In konstruktiv besonders einfacher Weise könnte die Polarisationsdreheinrichtung eine λ/2-Platte sein. Dabei könnte die λ/2-Platte im Hinblick auf eine sichere Einstellung der Polarisationsrichtung des Lichts in einer drehbaren Fassung angeordnet sein. Irrt Konkreten könnte durch die drehbare Fassung eine Drehung der λ/2-Platte um die Glasfaserachse ermöglicht sein.

Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte die Polarisationsdreheinrichtung Mittel zum Drehen des Glasfaserendes oder der Glasfaserenden aufweisen. Zur Anpassung der Polarisationsrichtung des Lichts an das Objekt könnte hierdurch die Glasfaser bzw. das Glasfaserende selbst mechanisch gedreht werden.

In besonders komfortabler Weise könnten die Mittel eine Drehfassung aufweisen, so dass eine sichere Drehung des Glasfaserendes oder der Glasfaserenden ermöglicht ist.

Dabei könnte durch die Drehfassung im Konkreten eine Drehung um die Glasfaserachse ermöglicht sein.

Mit Hilfe der Polarisationsdreheinrichtung könnte beispielsweise die Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts vor der Einkopplung in eine Mikroskopoptik einge stellt werden. Insbesondere hierbei könnte die Glasfaser oder könnten die Glasfasern zwischen der Lichtquelle oder den Lichtquellen und einem Strahlteiler angeordnet sein, der zur Einkopplung des Beleuchtungslichtstrahls dienen könnte.

Als Lichtquelle oder Lichtquellen bieten sich insbesondere Laser an.

Die Stabilität der erfindungsgemäßen optischen Anordnung hinsichtlich Schwankungen der Beleuchtungs- bzw. Detektionslichtleistungen ist im Vergleich zu bekannten Anordnungen stark erhöht. Ferner ist der Justieraufwand reduziert.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige
in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung.
Die zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in Form eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops. Die Beleuchtungslichtquelle 1 dient zur Beleuchtung eines Objekts in Form einer Probe 13. Zwischen der Beleuchtungslichtquelle 1 und dem Objekt ist eine Glasfaser 3 zum Lichttransport zwischen der Beleuchtungslichtquelle 1 und dem Objekt angeordnet. Im Hinblick auf die Vermeidung von Schwankungen der Beleuchtungslichtleistung ohne eine Erschwernis bei der optischen Justierung der Anordnung ist die Glasfaser 3 als polarisierende Glasfaser 3 ausgebildet. Zwischen der Beleuchtungslichtquelle 1 und der Glasfaser 3 ist eine Einkoppeloptik 2 für das primäre Anregungs- oder Laserlicht 17 angeordnet. Hierdurch erfolgt eine sichere Einkopplung des Laserlichts 17 in die polarisierende Glasfaser 3.
Nach der Glasfaser 3 ist eine Auskoppeloptik 4 im Strahlengang angeordnet. An die Auskoppeloptik 4 schließt sich eine λ/2-Platte 18 zur Polarisationsdrehung an.
Das Licht durchläuft anschließend eine Linse 5 sowie eine Beleuchtungsblende 6. Als kohärenzfreier Beleuchtungslichtstrahl 14 gelangt das Licht dann zu einem Strahlteiler 7, durch den der Beleuchtungslichtstrahl 14 zu einer Linse 8 hin reflektiert wird.
An die Linse 8 schließt sich ein bewegbarer Scanspiegel 9 an, mit dem der Beleuchtungslichtstrahl 14 über die Probe 13 gescannt werden kann. An den Scanspiegel 9 schließen sich Linsen 10 und 11 an. Schließlich gelangt der Beleuchtungslichtstrahl 14 durch ein Objektiv 12 auf die Probe 13.
Zum Nachweis des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichts ist eine Detektionsblende 15 mit einem sich an die Detektionsblende 15 anschließenden Detektor 16 vorgesehen.
Die Polarisation des am Strahlteiler 7 ankommenden Beleuchtungslichtstrahls 14 ist nur noch durch die Orientierung der Faservorzugsachse bestimmt und weitgehend unabhängig von der Polarisation und der Polarisationsrichtung des Lichts der Beleuchtungslichtquelle 1.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Anordnung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Anordnung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Optische Anordnung zum Scannen eines Objektes, mit einer Beleuchtungslichtquelle (1) und einer zwischen der Beleuchtungslichtquelle (1) und dem Objekt angeordneten Glasfaser (3), die das Beleuchtungslicht (14) entlang einer vorgebbaren Strecke zu einer Scanspiegelanordnung (9) transportiert, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konstanthaltung der Intensität des von der Scanspiegelanordnung (9) abgehenden Scanstrahls die Scanspiegelanordnung (9) mit einer vorgegebenen Polarisation des Beleuchtungslichtes (14) beaufschlagbar ist, wobei diese Polarisation unabhängig von der Polarisation des in die Glasfaser (3) eingespeisten Beleuchtungslichtes (14) durch die Glasfaser (3) festgelegt ist und diese somit als polarisierende Glasfaser (3) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Beleuchtungslichtquellen (1) zur Beleuchtung des Objekts vorgesehen sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Licht der Beleuchtungslichtquellen (1) spektral unterscheidet.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere polarisierende Glasfasern (3) zwischen den Beleuchtungslichtquellen (1) und dem Objekt vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Beleuchtungsstrahlrichtung nach der Glasfaser (3) oder den Glasfasern (3) eine Polarisationsdreheinrichtung angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsdreheinrichtung eine λ/2-Platte (18) ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die λ/2-Platte (18) in einer drehbaren Fassung angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die drehbare Fassung eine Drehung der λ/2-Platte (18) um die Glasfaserachse ermöglicht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsdreheinrichtung Mittel zum Drehen des Glasfaserendes oder der Glasfaserenden aufweist.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Drehfassung aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Drehfassung eine Drehung um die Glasfaserachse ermöglicht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaser (3) oder die Glasfasern (3) zwischen der Beleuchtungslichtquelle (1) oder den Beleuchtungslichtquellen (1) und einem Strahlteiler (7) angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungslichtquelle (1) oder die Beleuchtungslichtquellen (1) durch Lasergebildet sind.