DE10138740A1

DE10138740A1 - Arrangement for coupling of illumination light into the beam path of a laser-scanning microscope uses a prism to improve the light yield at the sample

Info

Publication number: DE10138740A1
Application number: DE2001138740
Authority: DE
Inventors: Rainer Danz; Guenter Schoeppe; Joerg Jensch
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2003-02-20

Abstract

Arrangement for coupling of illumination radiation into the beam path of a laser scanning microscope using a BEREK type prism as the coupling optical element. Accordingly the incident illumination radiation (2) is deflected through three total internal reflection angles of 90 degrees. The prism (7) is placed directly in front of the pupil (10) of the objective (11) or in an image of the pupil so that the beam output surface (8) of the prism at least partially covers the objective pupil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung, mit deren Hilfe Beleuchtungsstrahlen in den Strahlengang von Laser-Scan-Mikroskopen sehr effektiv eingekoppelt werden können. The present invention relates to an optical arrangement by means of which Illumination rays in the beam path of laser scan microscopes very much can be effectively coupled.

Nach dem bekannten Stand der Technik verfügen Laser-Scan-Mikroskope zur Einkopplung der Beleuchtungsstrahlen über einen Hauptstrahlteiler in Form von Plan-Glas-Elementen oder halbdurchlässigen Spiegeln. Die Laserstrahlen werden in bekannter Weise vor der Einkopplung mittels verschiedener, optischer Elemente, wie Lichtleitfasern, Kollimationsoptiken, Strahlteilern, Filtern, Umlenkeinrichtungen, u. a. entsprechend vorbehandelt, von der Laserquelle bis zum Hauptstrahlteiler geleitet und von diesem auf das zu untersuchende Objekt fokussiert. Entsprechende Anordnungen sind in den Schriften DE 197 02 753 A1, DE 198 35 068 A1, DE 198 37 249 A1 und US 4 934 799 beschrieben. According to the known prior art, laser scan microscopes are available Coupling of the illumination beams via a main beam splitter in the form of Flat glass elements or semi-transparent mirrors. The laser beams are known in a known manner before coupling by means of various optical Elements such as optical fibers, collimation optics, beam splitters, filters, Deflection devices, u. a. pretreated accordingly, from the laser source to directed to the main beam splitter and from there to the object to be examined focused. Corresponding arrangements are in the documents DE 197 02 753 A1, DE 198 35 068 A1, DE 198 37 249 A1 and US 4 934 799.

Derartige Anordnungen haben jedoch für den sogenannten Reflexionsmodus den Nachteil, dass die Lichtausbeute aufgrund der verwendeten Hauptstrahlteiler (Plan-Glas-Elemente oder halbdurchlässige Spiegel) und der damit zusammenhängenden, nur teilweisen Umlenkung der Beleuchtungsstrahlen in Richtung des zu untersuchenden Objektes reduziert wird. Da auch die Auswertestrahlen durch den Hauptstrahlteiler reduziert werden, beträgt die Lichtausbeute am Detektor maximal ein Viertel der von der Lichtquelle ausgesendeten Intensität. Durch weitere Reflexionen und Streuungen an anderen optischen Elementen im Strahlengang kann die Lichtausbeute noch mehr reduziert werden. Das dabei entstehende Streulicht wirkt sich äußerst störend auf die Beobachtung bzw. Auswertung aus und wird, wie in DE 199 26 037 A1 und EP 1 085 362 beschrieben, durch zusätzlich vorzusehende, optische Elemente aus dem Abbildungsstrahlengang eliminiert. Des weiteren können Reflexionen im Strahlengang zu polarisationsdrehenden Effekten führen, so dass die Linearität des Beleuchtungsstrahls am zu beobachtenden Objekt mitunter nicht mehr gegeben ist. Such arrangements have, however, for the so-called reflection mode the disadvantage that the luminous efficacy due to the used Main beam splitter (flat glass elements or semi-transparent mirror) and the related, only partial redirection of the Illumination beams reduced in the direction of the object to be examined becomes. Because the evaluation beams are also reduced by the main beam splitter the light output at the detector is at most a quarter of that of the Light source emitted intensity. Through further reflections and Scattering on other optical elements in the beam path can Luminous efficacy can be reduced even more. The resulting stray light has an extremely disruptive effect on the observation or evaluation and will, as described in DE 199 26 037 A1 and EP 1 085 362, by additionally optical elements to be provided are eliminated from the imaging beam path. Furthermore, reflections in the beam path can cause polarization-rotating Effects lead to the linearity of the illuminating beam observing object sometimes no longer exists.

In der DE-OS 36 06 482 A1 ist ein Mikroskop beschrieben, bei dem bereits ein Prisma vom BEREK-Typ zum Einsatz kommt; allerdings dient es dabei ausschließlich der achromatischen Korrektur des Löschungsfehlers bei Polarisationsmikroskopen. Eine Verwendung in anderen Mikroskopen kann somit nicht als naheliegend betrachtet werden. DE-OS 36 06 482 A1 describes a microscope in which a BEREK-type prism is used; however, it does so exclusively the achromatic correction of the deletion error Polarizing microscopes. Use in other microscopes can are therefore not considered to be obvious.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau bekannter Laser-Scan-Mikroskope dahingehend zu verbessern, dass die Lichtausbeute aus dem Beleuchtungsstrahl wesentlich erhöht und das Auflösungsvermögen dabei nicht vermindert wird. The present invention has for its object the structure of known Laser scan microscopes improve the light output from the illuminating beam significantly increased and the resolving power is not diminished.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Anordnung zur Einkopplung von Beleuchtungsstrahlen in den Strahlengang von Laser-Scan-Mikroskopen dadurch gelöst, dass die Beleuchtungsstrahlen über mindestens ein Prisma mit drei inneren Totalreflexionen nach BEREK eingekoppelt werden. According to the invention, the object is achieved by the arrangement for coupling in Illumination rays in the beam path of laser scanning microscopes solved in that the illuminating beams have at least one prism three inner total reflections according to BEREK.

Bei einer entsprechenden Abstimmung zwischen der Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlen und der Brechzahl der Prismen ist eine uneingeschränkte Anwendbarkeit der erfinderischen Anordnung über einen breiten Wellenlängenbereich gegeben. With a corresponding coordination between the wavelength of the Illumination rays and the refractive index of the prisms is an unrestricted one Applicability of the inventive arrangement over a wide range Given the wavelength range.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Dazu zeigen: The invention is described below using an exemplary embodiment described. To show:

Fig. 1 einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 1 shows a possible structure of the arrangement according to the invention and

Fig. 2 einen weiteren Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung unter Verwendung nur eines Raster-Optik-Systems. Fig. 2 shows a further structure of the arrangement according to the invention using only one raster optics system.

In Fig. 1 durchläuft die vom Laser 1 emittierte Beleuchtungsstrahlung 2 im Beleuchtungsstrahlengang 3 einen Kollimator 4, eine Halbwellen-Platte 5 und das Raster-Optik-System 6. Die Halbwellenplatte 5 ist dabei azimutal drehbar angeordnet und erlaubt eine Drehung der Schwingungsrichtung der Beleuchtungsstrahlung 2. Vorteilhaft ist hierbei eine Verdrehung um 45° gegenüber dem Einfallsazimut des nachfolgend angeordneten Prismas 7. Das Prisma 7 ist vom BEREK-Typ und so vor dem Objektiv 11 angeordnet, dass die Strahlaustrittsfläche 8 in oder unmittelbar vor der Pupille 10 des Objektives 11 oder in einem Abbild dieser liegt. Die Strahlaustrittsfläche 8 deckt dabei die Pupille 10 soweit ab, dass diese von der optischen Achse des Objektives 11 höchstens am Rand tangiert wird. In Fig. 1 the radiation emitted by laser 1 light radiation 2 passes through the illuminating beam path 3, a collimator 4, a half-wave plate 5 and the scanning optical system 6. The half-wave plate 5 is arranged such that it can be rotated azimuthally and allows the direction of oscillation of the illuminating radiation 2 to be rotated. Here, a rotation of 45 ° relative to the incidence azimuth of the prism 7 arranged downstream is advantageous. The prism 7 is of the BEREK type and is arranged in front of the objective 11 in such a way that the beam exit surface 8 lies in or immediately in front of the pupil 10 of the objective 11 or in an image thereof. The beam exit surface 8 covers the pupil 10 to such an extent that the optical axis of the objective 11 touches it at most at the edge.

Die Beleuchtungsstrahlung 2 durchläuft nach dem Raster-Optik-System 6 das Prisma 7. Die im Prisma 7 stattfindenden drei Totalreflexionen erteilen den p- und s-Komponenten der Beleuchtungsstrahlung 2 jeweils eine relative Phasendrehung. Gemäß der Formel:

beträgt der Gesamtphasenunterschied nach Austritt 180°, berechnet für einen Einfallswinkel von α = 45° und eine Brechzahl von n = √3. Diese Parameter sind zum Beispiel für ein Prisma 7 aus hochbrechendem Glas des Typs SF3 bei einer Wellenlänge von λ = 633 nm gegeben. Somit weist die das Prisma 7 verlassende, linear polarisierte Beleuchtungsstrahlung 2 einen um 90° gedrehten Schwingungsazimut auf. The illumination radiation 2 passes through the prism 7 according to the raster optics system 6 . The three total reflections taking place in the prism 7 each give the p and s components of the illuminating radiation 2 a relative phase shift. According to the formula:

the total phase difference after exit is 180 °, calculated for an angle of incidence of α = 45 ° and a refractive index of n = √ 3 , These parameters are given, for example, for a prism 7 made of highly refractive glass of the SF3 type at a wavelength of λ = 633 nm. Thus, the linearly polarized illuminating radiation 2 leaving the prism 7 has a vibration azimuth rotated by 90 °.

Die polarisierte Beleuchtungsstrahlung 2 leuchtet die Pupille 10 des Objektivs 11 homogen aus und trifft dann in einem Winkel β auf die Probe 12. Die sich durch die schräge Beleuchtung ergebenden, elliptischen Airy-Scheibchen bewirken einen in der Praxis nicht störenden Fehler. Zur Veränderung des Einfallswinkels β ist das Prisma 7 in Pfeilrichtung 9, senkrecht zur optischen Achse des Objektives 11, beweglich. Mit der Vergrößerung des Winkels β und der damit verbundenen Verringerung der Beleuchtungsapertur kann die Tiefenschärfe erhöht werden, allerdings zu Lasten der Objekttreue. The polarized illuminating radiation 2 illuminates the pupil 10 of the objective 11 homogeneously and then strikes the sample 12 at an angle β. The elliptical Airy disks resulting from the oblique illumination cause an error that is not disturbing in practice. To change the angle of incidence β, the prism 7 is movable in the direction of the arrow 9 , perpendicular to the optical axis of the objective 11 . The depth of field can be increased by increasing the angle β and the associated reduction in the illumination aperture, but at the expense of object fidelity.

Das an der Probe 12 reflektierte Licht durchläuft das Objektiv 11 mit seiner Pupille 10 und passiert im Abbildungsstrahlengang 13 vor dem Auftreffen auf den Detektor 16, ein zweites Raster-Optik-System 6, das Pinhole-Objektiv 14 und das als Pinhole ausgebildete Raumfilter 15. Die beiden Raster-Optik- Systeme 6 müssen synchronisiert sein. Im Abbildungsstrahlengang 13 können sich noch weitere, optische Elemente, wie beispielsweise ein Strahlteiler und ein nachgeordnetes Okular (beides nicht dargestellt), befinden. The light reflected on the sample 12 passes through the objective 11 with its pupil 10 and passes through a second raster optics system 6 , the pinhole objective 14 and the spatial filter 15 designed as a pinhole in the imaging beam path 13 before striking the detector 16 . The two raster optics systems 6 must be synchronized. Further optical elements, such as, for example, a beam splitter and a downstream eyepiece (neither of which is shown), can be located in the imaging beam path 13 .

Fig. 2 zeigt einen weiteren, prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Die vom Laser 1 emittierte, polarisierte Beleuchtungsstrahlung 2 durchläuft im Beleuchtungsstrahlengang 3 einen Kollimator 4 und eine azimutal drehbare Halbwellen-Platte 5. Das nachgeordnete Prisma 7 ist vom BEREK- Typ und so angeordnet, dass die Strahlaustrittsfläche 8 die optische Anordnung 17 soweit abdeckt, dass diese von der optischen Achse der optischen Anordnung 17 höchstens am Rand tangiert wird. Danach durchläuft die Beleuchtungsstrahlung 2 das Raster-Optik-System 6, die Pupille 10 und das Objektiv 11 und trifft unter dem Winkel β auf die Probe 12. Das Prisma 7 ist mit den gleichen, in Fig. 1 beschriebenen Wirkungen in Pfeilrichtung 9 zur Veränderung des Einfallswinkels β beweglich angeordnet. Fig. 2 shows a further basic structure of the arrangement according to the invention. The polarized illuminating radiation 2 emitted by the laser 1 passes through a collimator 4 and an azimuthally rotatable half-wave plate 5 in the illuminating beam path 3 . The downstream prism 7 is of the BEREK type and is arranged in such a way that the beam exit surface 8 covers the optical arrangement 17 to such an extent that the optical axis of the optical arrangement 17 only touches it at the edge. Then the illuminating radiation 2 passes through the raster optics system 6 , the pupil 10 and the objective 11 and strikes the sample 12 at the angle β. The prism 7 is arranged with the same effects described in FIG. 1 in the direction of the arrow 9 to change the angle of incidence β.

Das an der Probe 12 reflektierte Licht durchläuft das Objektiv 11 und die Pupille 10 und passiert im Abbildungsstrahlengang 13 vor dem Auftreffen auf den Detektor 16 das Raster-Optik-System 6, die optische Anordnung 17, das Pinhole-Objektiv 14 und das als Pinhole ausgebildete Raumfilter 15. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung mit nur einem Raster-Optik-System 6 entfällt die mitunter aufwendige Synchronisation der Systeme. Auch in dieser Variante können sich im Abbildungsstrahlengang 13 noch weitere, optische Elemente, wie beispielsweise ein Strahlteiler und ein nachgeordnetes Okular (beides nicht dargestellt), befinden. The light reflected on the sample 12 passes through the objective 11 and the pupil 10 and passes through the raster optics system 6 , the optical arrangement 17 , the pinhole objective 14 and the one designed as a pinhole in the imaging beam path 13 before striking the detector 16 Room filter 15 . This advantageous embodiment with only one raster optics system 6 eliminates the time-consuming synchronization of the systems. In this variant too, further optical elements, such as a beam splitter and a downstream eyepiece (neither of which are shown), can be located in the imaging beam path 13 .

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können Beleuchtungsstrahlen sehr effektiv in den Strahlengang von Laser-Scan-Mikroskopen eingekoppelt werden. Durch die verwendeten Prismen mit drei Totalreflexionen nach BEREK wird die Beleuchtungsstrahlung vollständig in Richtung des zu beobachtenden Objektes umgelenkt. Es wird weder die Apertur noch die Intensität der Beleuchtungsstrahlung reduziert. Durch die Totalreflexionen im Prisma werden ungewollte Lichtschwächungen infolge von Streuungen und Reflexionen vermindert, und es kommt nicht zu polarisationsdrehenden Effekten, so dass die Linearität und Homogenität der Beleuchtungsstrahlung bis zum Auftreffen auf das zu beobachtende Objekt erhalten bleiben. Gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Hauptstrahlteilern kann eine Intensitätssteigerung um den Faktor 4 erreicht werden. Um die gleiche Intensität der Beleuchtungsstrahlung zu gewährleisten, können Laser mit geringerer Leistung und kleineren, baulichen Abmessungen zur Anwendung kommen. With the arrangement according to the invention, illuminating beams can very much effectively coupled into the beam path of laser scanning microscopes become. Thanks to the prisms with three total reflections according to BEREK the illuminating radiation is completely in the direction of the observed Redirected object. Neither the aperture nor the intensity of the Illumination radiation reduced. Due to the total reflections in the prism unwanted light attenuation due to scattering and reflections reduced, and there are no polarization-rotating effects, so that Linearity and homogeneity of the illuminating radiation until it strikes the object to be observed is retained. Compared to the one in the Main beam splitters used in technology can increase the intensity by Factor 4 can be achieved. To the same intensity of illuminating radiation To ensure lasers with lower power and smaller, structural Dimensions are used.

Claims

1. Arrangement for coupling illumination beams into the beam path of laser scan microscopes, characterized in that
that is provided as an optical element for injecting the illuminating radiation (2) at least one prism (7) according BEREK, which deflects the incident light radiation (2) after three total internal reflections by 90 °,
that the prism ( 7 ) is arranged in or immediately in front of the pupil ( 10 ) of the objective ( 11 ) or in an image thereof and
that the beam exit surface ( 8 ) of the prism ( 7 ) at least partially covers the pupil ( 10 ) of the objective ( 11 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the prism ( 7 ) arranged in or immediately in front of the pupil ( 10 ) of the objective ( 11 ) or in an image of the latter is movable perpendicular to the optical axis of the objective ( 11 ).

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the beam exit surface ( 8 ) of the prism ( 7 ) covers the pupil ( 10 ) of the objective ( 11 ) to such an extent that it is at most at the edge of the optical axis of the objective ( 11 ) is affected.

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the prism ( 7 ) made of highly refractive glass of the type SF3 at an angle of incidence on the reflecting surface of the prism ( 7 ) of α = 45 ° and a wavelength of the illuminating radiation ( 2 ) λ = 633 nm a refractive index of n = √ 3 having.