DE102004032953A1

DE102004032953A1 - Phasenfilter

Info

Publication number: DE102004032953A1
Application number: DE102004032953A
Authority: DE
Inventors: Hilmar Dr. Gugel
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-08
Also published as: JP2006023745A; DE502005002079D1; JP4920918B2; DE102004032953B4; US7355789B2; US20060007535A1; EP1615064A1; EP1615064B1

Abstract

Eine optische Vorrichtung weist eine fokussierende Optik auf, die ein Lichtbündel in eine Brennebene fokussiert. Es ist ein Mittel zur Formung des Fokus des Lichtbündels vorgesehen, wobei das Mittel zur Formung des Fokus zwischen einem ersten Teil des Lichtbündels und einem zweiten Teil des Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt. Die optische Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Formung des Fokus eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein optische Vorrichtung mit einer fokussierenden Optik, die ein Lichtbündel in einer Brennebene fokussiert und mit einem Mittel zur Formung des Fokus des Lichtbündels, wobei das Mittel zur Formung des Fokus zwischen einem ersten Teil des Lichtbündels und einem zweiten Teil des Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Rastermikroskop mit einer fokussierenden Optik, die ein Lichtbündel in einer Brennebene fokussiert und mit einem Mittel zur Formung des Fokus des Lichtbündels, wobei das Mittel zur Formung des Fokus zwischen einem ersten Teil des Lichtbündels und einem zweiten Teil des Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt.
Die Erfindung betrifft weiter einen Phasenfilter, der zwischen einem ersten Teil eines Lichtbündels und einem zweiten Teil eines Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt.
In der Rastermikroskopie (Scanmikroskopie) wird eine Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet, um das von der Probe emittierte Reflexions- oder Fluoreszenzlicht zu beobachten. Der Fokus des Beleuchtungslichtstrahles wird mit Hilfe einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung, im Allgemeinen durch Verkippen zweier Spiegel, in einer Objektebene bewegt, wobei die Ablenkachsen meist senkrecht aufeinander stehen, so daß ein Spiegel in x- und der andere in y-Richtung ablenkt. Die Verkippung der Spiegel wird beispielsweise mit Hilfe von Galvanometer-Stellelementen bewerkstelligt. Die Leistung des vom Objekt kommenden Lichtes wird in Abhängigkeit von der Position des Abtaststrahles gemessen. Üblicherweise werden die Stellelemente mit Sensoren zur Ermittlung der aktuellen Spiegelstellung ausgerüstet. Neben diesen sogenannten strahlscannenden Methoden sind auch Scanmikroskope mit räumlich feststehendem Beleuchtungslichtstrahl bekannt, bei denen die Probe zur Abtastung mit Hilfe eines Feinpositioniertisches verfahren wird. Diese Scanmikroskope werden objektscannend genannt.
Speziell in der konfokalen Rastermikroskopie wird ein Objekt mit dem Fokus eines Lichtstrahles in drei Dimensionen abgetastet.
Ein konfokales Rastermikroskop umfasst im allgemeinen eine Lichtquelle, eine Fokussieroptik, mit der das Licht der Quelle auf eine Lochblende – die sog. Anregungsblende – fokussiert wird, einen Strahlteiler, eine Strahlablenkeinrichtung zur Strahlsteuerung, eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichtes. Das Beleuchtungslicht wird über einen Strahlteiler eingekoppelt. Das vom Objekt kommende Fluoreszenz- oder Reflexionslicht gelangt über die Strahlablenkeinrichtung zurück zum Strahlteiler, passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren 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 des Objekts zu einem dreidimensionalen Bild führt. Meist wird ein dreidimensionales Bild durch schichtweise Bilddatennahme erzielt.
Die Leistung des vom Objekt kommenden Lichtes wird in festen Zeitabständen während des Abtastvorganges gemessen und so Rasterpunkt für Rasterpunkt abgetastet. Der Messwert muss eindeutig der dazugehörigen Scanposition zugeordnet sein, um aus den Messdaten ein Bild erzeugen zu können. Zweckmäßiger Weise werden hierfür die Zustandsdaten der Verstellelemente der Strahlablenkeinrichtung laufend mitgemessen oder, was allerdings weniger genau ist, direkt die Steuersolldaten der Strahlablenkeinrichtung verwendet.
Es ist auch möglich in einer Durchlichtanordnung beispielsweise das Fluoreszenzlicht oder die Transmission des Anregungslichtes kondensorseitig zu detektieren. Der Detektionslichtstrahl gelangt dann nicht über die Scanspiegel zum Detektor (Non descan Anordnung). Für die Detektion des Fluoreszenzlichtes wäre in der Durchlichtanordnung eine kondensorseitige Detektionsblende nötig, um, wie in der beschriebenen Descan-Anordnung, eine dreidimensionale Auflösung zu erzielen. Im Falle der Zweiphotonenanregung kann jedoch auf eine kondensorseitige Detektionsblende verzichtet werden, da die Anregungswahrscheinlichkeit vom Quadrat der Photonendichte abhängt (proportional der Intensität²), die naturgemäß im Fokus viel höher ist als in den Nachbarregionen. Das zu detektierende Fluoreszenzlicht stammt daher mit großer Wahrscheinlichkeit zum aller größten Teil aus der Fokusregion, was eine weitere Differenzierung von Fluoreszenzphotonen aus dem Fokusbereich von Fluoreszenzphotonen aus den Nachbarbereichen mit einer Blendenanordnung überflüssig macht.
Das Auflösungsvermögen eines konfokalen Rastermikroskops ist unter anderem durch die Intensitätsverteilung und die räumliche Ausdehnung des Fokus des Anregungslichtstrahls gegeben. Eine Anordnung zur Steigerung des Auflösungsvermögens für Fluoreszenzanwendungen ist aus der PCT/DE/95/00124 bekannt. Hierbei werden die lateralen Randbereiche des Fokusvolumens des Anregungslichtstrahls mit einem Lichtstrahl einer anderen Wellenlänge, dem sog. Stimulationslichtstrahl, der von einem zweiten Laser emittiert wird, beleuchtet, um dort die vom Licht des ersten Lasers angeregten Probenbereiche stimuliert in den Grundzustand zurück zu bringen. Detektiert wird dann nur das spontan emittierte Licht aus den nicht vom zweiten Laser beleuchteten Bereichen, so daß insgesamt eine Auflösungsverbesserung erreicht wird. Für dieses Verfahren hat sich die Bezeichnung STED (Stimulated Emission Depletion) eingebürgert.
Eine neue Entwicklung hat gezeigt, daß man gleichzeitig sowohl lateral, als auch axial eine Auflösungsverbesserung erzielen kann, wenn es gelingt, den Fokus des Stimulationslichtstrahles innen hohl zu machen. Hierzu wird in den Strahlengang des Stimulationslichtstrahles ein Phasenfilter eingebracht, der ein runde λ/2-Platte beinhaltet, die in ihrem Durchmesser kleiner als der Strahldurchmesser ist und folglich überleuchtet wird. Die Form des Stimulationsfokus ergibt sich aus der Fouriertransformierten der Phasenfilterfunktion.
Derzeit wird in der STED-Mikroskopie die Probe mit einem kurzwelligen Laserpuls beleuchtet, der z.B. aus einer gepulsten Laserdiode stammt. Anschließend wird eine Abregung der Fluoreszenzmoleküle am Anregungsfokusrand durch einen langwelligen Laserpuls bewirkt, der eine hohe Intensität besitzt. Um die Photoschädlichkeit des langwelligen Pulses so gering wie möglich zu halten sollte er eine Pulsbreite besitzen, die im Bereich von ca. 100ps bzw. länger liegt. Dieser langwellige Laserpuls kann z.B. aus einer zweiten Laserdiode stammen, welche bereits die entsprechende Pulsbreite besitzt oder durch Pulsverbreiterung eines kurzen langwelligen Laserpulses erzeugt werden. Eine Pulsverbreiterung lässt sich am zweckmäßigsten durch einen zweistufigen Prozess erzeugen. Zuerst durchläuft der kurze Puls einen Glasstab und wird dadurch auf eine Pulsbreite von einigen Pikosekunden gestreckt. Danach durchläuft der Laserpuls eine lange Glasfaser, in der er weiter verbreitet wird. Anstelle eines Glasstabs kann auch ein Glaskörper verwendet werden, in dem der Puls durch Totalreflexion mehrfach reflektiert wird und dadurch eine große Strecke innerhalb des Glaskörpers zurücklegt. Eine andere Möglichkeit den Laserpuls zu strecken ist die Verwendung von Beugungsgittern.
Um eine Abregung der Fluoreszenzmoleküle am Fokusrand zu erreichen muss die Abregungs-Punktbildfunktion speziell geformt werden. Hierzu werden Phasenfilter eingesetzt, welche sich im Strahlengang des langwelligen Laserstrahls befinden. Sie verändern die Wellenfront des Abregungsstrahls ortsabhängig. Phasenfilter werden derzeit durch Aufbringen einer transparenten Struktur (z.B. Magnesiumfluorid) auf ein Glassubstrat hergestellt. Das Licht, das die Struktur und das Glassubstrat durchdringt erfährt dann gegenüber dem Licht, welches nur das Substrat durchdringt eine Phasenverzögerung, die von der Dicke der Struktur und der Wellenlänge des Lichts abhängt. Bei Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen, wie es z.B. bei der Verwendung von unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen der Fall ist, muss für jede Wellenlänge ein anderer Phasenfilter verwendet werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei Verwendung eines breiten Wellenlängenspektrums zur Abregung, wie dies z.B. bei einer Pulsverbreiterung in einer Glasfaser entsteht bzw. bei Verwendung von photonischen Kristallfasern (photonic-band-gap-Fasern), die Phasenverschiebung durch den Phasenfilter nicht für alle Wellenlängen des ausgewählten Wellenlängenbereichs identisch ist. Dies führt zu einer nicht ideal geformten Abregungs-PSF (Point-spread-function) und damit in der Regel auch zu einer nicht gewünschten Reduktion der Fluoreszenz im scharfen Maximum der hochauflösenden PSF am Ort des geometrischen Fokus.
Für zahlreiche Verfahren der Auflösungserhöhung werden Phasenfilter benötigt. Dies gilt insbesondere für die STED-, STED-4Pi- und die upconversion-depletion-Mikroskopie. Die Phasenfilter verändern die Phase der sie durchdringenden Wellenfront in Abhängigkeit des Orts. Standardmäßig werden diese Phasenfilter durch Aufbringen von Strukturen auf ein Glassubstrat erzeugt, so dass die durchgehende Wellenfront eine über dem Strahldurchmesser ortsabhängige Phasenverzögerung erfährt. Aufgrund dieses Phasenfilterdesigns ist die erzeugte Phasenverschiebung von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Dies ist in der Regel jedoch nicht erwünscht, da damit für jede verwendete Wellenlänge ein anderer Phasenfilter benötigt wird.
Aus DE 101 05 391 A1 ist ein Scanmikroskop zum optischen Messen eines Probenpunktes einer Probe mit hoher Ortsauflösung mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines zum Anregen eines Energiezustandes der Probe geeigneten Anregungslichtstrahls, einem Detektor zum Nachweis des Emissionslichts und einen von der Lichtquelle kommenden Stimulationslichtstrahl zum Erzeugen stimulierter Emission der von dem Anregungslichtstrahl angeregten Probe in dem Probenpunkt bekannt. Der Anregungslichtstrahl und der Stimulationslichtstrahl sind derart angeordnet, dass sich ihre Intensitätsverteilungen im Fokalbereich teilweise decken. Das Scanmikroskop ist dadurch gekennzeichnet, dass die, den Stimulationslichtstrahl formenden optischen Elemente zu mindestens einem Modul zusammengefasst sind, das im Strahlengang des Scanmikroskops positionierbar ist. In einer Ausführungsform sind Mittel zur Beeinflussung der Form des Fokus des Stimulationslichtstrahls vorgesehen.
Aus T. Watanabe et. al., „Two-point-separation in super-resolution fluorescence microscope based on up-conversion fluorescence depletion technique", 2003, Optics Express, Vol.11, No 24, 1 Dezember 2003, ist ein der STED-Mikroskopie ähnliches Verfahren zur Auflösungssteigerung bekannt. In der sog. up-conversion-depletion-Mikroskopie wird der Angeregte Zustand nicht wie in der STED-Mikroskopie stimuliert abgeregt, sondern eine weitere Anregung in einen anderen Zustand bewirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung anzugeben, die eine weitgehend wellenlängenunabhängige Fokusformung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das Mittel zur Formung des Fokus eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Rastermikroskop insbesondere zum optischen Messen eines Probenpunktes einer Probe mit hoher Ortsauflösung anzugeben, das eine wellenlängenunabhängige Fokusformung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Rastermikroskop gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Mittel zur Formung des Fokus eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.
Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen weitgehend wellenlängenunabhängigen Phasenfilter anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Phasenfilter gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Phasenfilter eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.
Erfindungsgemäß wurde erkannt und ausgenutzt, dass Lichtwellen bei der Reflexion an Grenzflächen unter bestimmten Umständen eine Phasenverschiebung erfahren. Diese Phasenverschiebung ist hauptsächlich von den Brechungsindizes der Materialien an der Grenzfläche und dem Reflexionswinkel abhängig. Aufgrund der Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge besteht auch eine Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Wellenlänge. Diese Abhängigkeit ist aber bei geeigneter Wahl der beteiligten Materialien sehr gering. Folglich lässt sich durch Reflexion an Grenzflächen eine weitgehend wellenlängenunabhängige Phasenverschiebung erzeugen. Durch strukturieren von mindestens einem Material an der Grenzfläche entstehen örtlich unterschiedliche Brechungsindexverhältnis über dem Strahldurchmesser. Dies ermöglicht es, einen weitgehend wellenlängenunbhängigen Phasenfilter herzustellen.
Vorzugsweise ist die erste Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material, und die zweite Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen dem ersten Material und einem dritten Material.
In einer besonderen Ausgestaltungsvariante umfasst die Reflexion des ersten und/oder des zweiten Teils des Lichtbündels eine Totalreflexion.
Vorzugsweise wird ein Reflexionswinkel α gewählt bei dem das Licht, welches nicht auf die metallische Struktur trifft, durch Totalreflexion an der Grenzfläche reflektiert wird um keine Lichtverluste bei der Reflexion zu erhalten Ganz besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltungsform, bei der das zweite Material eine Beschichtung auf dem ersten Material ist. Insbesondere kann das zweite Material ein Metall beinhalten. Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der das zweite Material eine metallische Beschichtung umfasst.
Vorzugsweise besteht das erste Material aus Glas und/oder transparentem Kunststoff und/oder einem Kristall. Das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material weist vorzugsweise eine niedrige Dispersion auf, um die Wellenlängenabhängigkeit so gering wie möglich zu halten.
Das erste Material kann beispielsweise eine dreidimensionale geometrische Figur, insbesondere ein Prisma oder einen Rhomboeder oder einen Quader, bilden. Vorzugsweise tritt der Lichtstrahl unter einem Winkel im Bereich von 90 Grad in das erste Material ein und/oder aus, um eine räumlich spektrale Aufspaltung zu vermeiden.
In einer bevorzugten Variante grenzt ein Teil einer Fläche der dreidimensionalen geometrische Figur an das zweite Material und ein anderer Teil der Fläche an das dritte Material.
Beispielsweise kann das dritte Material aus einem Gas und/oder einem Gasgemisch, insbesondere aus Luft, bestehen.
Vorzugsweise ist die Phasenverschiebung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge λ des Lichtbündels und beträgt vorzugsweise etwa λ/2 oder λ/4. Das Lichtbündel kann mehrere Wellenlängen aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Phasenverschiebung für jeden Wellenlängenanteil λ/2 oder λ/4.
Vorzugsweise ist das Lichtbündel in Bezug auf die Reflexion s-polarisiert. Die Verwendung von s-polarisiertem Licht erlaubt in der Regel größere Phasendifferenzen Δφ als die Verwendung von p-polarisiertem Licht. Daher ist in der Regel die Verwendung von s-polarisiertem Licht der Verwendung von p-polarisiertem Licht vorzuziehen
In einer ganz besonders bevorzugten Variante ist die Phasenverschiebung durch Veränderung des Reflexionswinkels einstellbar. Hierzu kann beispielsweise eine Drehvorrichtung zum Drehen bzw. Schwenken des ersten Materials und/oder des zweiten Materials und/oder des dritten Materials vorgesehen sein. Es ist auch möglich, die Einfallsrichtung des Lichbündels – beispielsweise mit einer Kippspiegelanordnung zu verändern.
Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung des Phasenfilters ist die Phasenverschiebung durch einen mehrstufigen Prozess zu erzeugen. Hierzu wird das Licht mehrfach an Grenzflächen reflektiert bevor es das erste Material verlässt. Es können also weitere Grenzflächen vorgesehen sein, wobei die weiteren Grenzflächen das Lichtbündel oder Teile des Lichtbündels reflektieren.
Die Strukturen und Materialien können an jeder Grenzfläche verschieden sein. Die Struktur an einer Grenzfläche kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Es kann auch vorteilhaft sein die Struktur, welche die Phasenverschiebung erzeugt, durch mikroskopisch kleine Substrukturen veränderlicher Dichte auszugestalten. Insoweit kann das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine Substruktur aufweisen.
Vorzugsweise ist der geformte Fokus ein Hohlfokus oder weist die Form des Fokus eine Ringform auf. Diese Fokusformen sind insbesondere für die Mikroskopie besonders gut nutzbar.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Phasenfilter ist vorteilhaft in der Rastermikroskopie, insbesondere in der STED-Mikroskopie oder der up-conversion-depletion-Mikroskopie oder der 4PI-Mikroskopie verwendbar. Besonders vorteilhaft ist erfindungsgemäße Phasenfilter in der Phasenkontrastmikroskopie einsetzbar.
Vorzugsweise regt das erfindungsgemäße Rastermikroskop eine Probe in einem Probenbereich mit einem Anregungslichtbündel optisch an. In einer bevorzugten Variante erzeugt das Lichtbündel, das den geformten Fokus aufweist, in dem angeregten Probenbereich oder in einem Teilbereich des angeregten Probenbereichs stimulierte Emission. In einer anderen Variante erzeugt das Lichtbündel in dem angeregten Probenbereich oder in einem Teilbereich des angeregten Probenbereichs eine weitere Anregung der Probe, insbesondere eine weitere Anregung bereits angeregter Zustände.
Das Rastermikroskop ist vorzugsweise als konfokales Rastermikroskop, insbesondere ein STED-Mikroskop oder ein up-conversion-depletion-Mikroskop oder 4PI-Mikroskop (z.B. Doppelkonfokales Rastermikroskop) ausgebildet.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Phasenfilter,
2 Grenzflächen eines erfindungsgemäßen Phasenfilters,
3 die Phasenverschiebung für s-polarisiertes Licht,
4 die Phasenverschiebung bei Totalreflexion für Glas,
5 einen anderen erfindungsgemäßen Phasenfilter,
6 eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung und
7 ein erfindungsgemäßes Rastermikroskop.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Phasenfilter. Der Phasenfilter umfasst ein erstes Material 1, dass als Glasprisma 3 ausgebildet ist. Auf einen Teil einer Fläche 11 des Glasprismas 3 ist ein zweites Material 5 als metallische Beschichtung 7 aufgedampft. Zwischen der metallischen Beschichtung 7 und dem Glasprisma 3 befindet sich eine erste Grenzfläche 9. Der nicht beschichtete Teil der Fläche 11 des Glasprismas 3 bildet zu einem dritten Material 13, nämlich der umgebenden Luft eine zweite Grenzfläche 15. Ein erster Teil 17 eines auf die Fläche 11 des Glasprismas treffenden Lichtbündels 19 wird von der ersten Grenzfläche 9 reflektiert, während ein zweiter Teil 21 des Lichtbündels 19 von der die erste Grenzfläche 9 umgebenden zweiten Grenzfläche 15 reflektiert wird. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindexübergänge Glas/Metall und Glas/Luft an der ersten Grenzfläche 9 bzw. an der zweiten Grenzfläche 15 tritt eine ortsabhängige Phasenverschiebung über dem Strahldurchmesser des Lichtbündels 19 auf. Diese Phasenverschiebung ist unter anderem abhängig vom Einfallswinkel Alpha des Lichtbündels 19 auf die Fläche 11. Das gezeigte Phasenfilter umfasst einen Drehtisch 23, mit dem das Glasprisma 3 samt seiner ersten Grenzfläche 9 und seiner zweiten Grenzfläche 15 gedreht und damit der Einfallswinkel Alpha geändert werden kann. 2 zeigt die Fläche 11 des Glasprismas 3, sowie die Projektion des auf die Fläche treffenden Lichtbündels 19. Der erste Teil 17 des Lichtbündels 19 trifft auf die erste Grenzfläche 9, während der zweite Teil 21 des Lichtbündels 19 auf die zweite Grenzfläche 15 trifft.
3 zeigt die Phasenverschiebung φ₁, für s-polarisiertes Licht bei der internen Reflexion an der Grenzfläche Glas/Luft (zweite Grenzfläche 15) und die Phasenverschiebung φ₂ für s-polarisiertes Licht bei der internen Reflexion an den Glas/Metall (erste Grenzfläche 9) in Abhängigkeit vom Reflexionswinkel α. Die Differenz der Phasenverschiebung Δφ zwischen den Lichtwellen, die an den Grenzflächen Glas/Luft und Glas/Metall reflektiert wurden, lässt sich durch geeignete Wahl des Reflexionswinkels α über einen großen Bereich frei einstellen. Vorzugsweise wird ein Reflexionswinkel α gewählt bei dem das Licht, welches nicht auf die metallische Struktur trifft, durch Totalreflexion an der Grenzfläche reflektiert wird um keine Lichtverluste bei der Reflexion zu erhalten.
4 zeigt die Phasenverschiebung bei Totalreflektion für Glas der Sorte BK7 in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Abhängigkeit der Phasenverschiebung von der Wellenlänge in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 800 nm nur 0,05 Rad beträgt und damit sehr gering ist.
5 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Phasenfilter. Das Phasenfilter besteht aus einem Glasprisma 25. Das Glasprisma weist eine erste Fläche 27 mit einer ersten Grenzfläche 9 und einer zweiten Grenzfläche 15 auf. Das einfallende Lichtbündel 19 wird an der ersten Fläche 27 reflektiert und gelangt zur zweiten Fläche 29, die ein viertes Material 31 und ein fünftes Material 33 jeweils als Beschichtung auf der Fläche 29 trägt. Das Lichtbündel 19 wird von der Fläche 29 reflektiert. Das vierte Material 31 bildet mit dem Glasprisma 25 eine dritte Grenzfläche 35 und das fünfte Material 33 bildet mit dem Glasprisma 25 eine vierte Grenzfläche 37. Die Grenzflächen 35, 37 sind umgeben von fünften Grenzfläche 39, die aus dem Glasluftübergang zwischen dem Glasprisma 25 und der Umgebungsluft gebildet ist. Die Phasenverschiebung innerhalb des Lichtbündels 19 wird bei diesem Phasenfilter durch einen mehrstufigen Prozess, nämlich durch die beiden Reflektionen an den Flächen 27 und 29 erzeugt.
6 zeigt eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung mit einer fokussierenden Optik 41, die ein Lichtbündel 19 fokussiert mit einem Mittel 43 zur Formung des Fokus 45 des Lichtbündels 19. Das Mittel zur Formung des Fokus 45 beinhaltet im wesentlichen den bezüglich 1 dargestellten Phasenfilter, wobei das Mittel 43 im Bereich einer Fourierebene 47 zur Fokalebene der fokussierenden Optik 41 angeordnet ist. Die Form des Fokus 45 ergibt sich letztlich aus der Fouriertransformierten der Phasenverschiebung, die der Phasenfilter dem Lichtbündel 19 aufprägt.
7 zeigt ein erfindungsgemäßes Rastermikroskop mit einer ersten Lichtquelle 49, die ein Anregungslichtbündel 51 emittiert. Die erste Lichtquelle 49 ist als Pulslaser 53, nämlich als gepulster Diodenlaser ausgeführt. Das Anregungslichtbündel 51 trifft nach Passieren der Anregungslochblende 55 auf den Hauptstrahlteiler 57, der das Anregungslichtbündel 51 zu der Strahlablenkeinrichtung 59, die einen kardanisch aufgehängten Scanspiegel 61 beinhaltet, lenkt. Das Rastermikroskop umfasst eine zweite Lichtquelle 63, die als modengekoppelter Titansaphirlaser 65, auf den die erste Lichtquelle 49 synchronisiert ist, ausgebildet ist. Die zweite Lichtquelle 63 emittiert ein Lichtbündel 19, das im weiteren als Stimulationslichtbündel 67 bezeichnet ist. Das Stimulationslichtbündel 67 trifft auf einen Phasenfilter 69, der analog dem Phasenfilter, der in 1 gezeigt ist, ausgebildet ist. Der Phasenfilter besteht aus einem Glasprisma 3 und weist eine erste Grenzfläche 9 und eine zweite Grenzfläche 15 auf. Das von dem Phasenfilter 69 kommende Stimulationslichtbündel 67 wird von dem Umlenkspiegel 71 zu einem dichroitischen Strahlteiler 73 gelenkt. Der dichroitische Strahlteiler 73 vereinigt das Anregungslichtbündel 51 und das Stimulationslichtbündel 67 auf einen gemeinsamen Strahlengang. Auch das Stimulationslichtbündel 67 wird von dem Hauptstrahlteiler 57 zur Strahlablenkeinrichtung 59 gelenkt. Die Strahlablenkeinrichtung 59 führt das Anregungslichtbündel 51 und das Stimulationslichtbündel 67 gemeinsam durch die Scanoptik 75, die Tubusoptik 77 sowie die fokussierende Optik 79, nämlich das Mikroskopobjektiv 81 über bzw. durch die Probe 83. Der Fokus des Anregungslichtbündels 51 regt die Probe in einem Probenpunkt optisch an, während der Fokus des Stimulationslichtbündels einen Außenbereich des angeregten Probenbereichs stimuliert abregt. Hierzu ist der Fokus des Stimulationslichtbündels geeignet, nämlich als innenhohler Fokus ausgebildet. Das Phasenfilter 69 ist in dieser Variante in einer zur Fokalebene des Mikroskopobjektivs 81 konjugierten Ebene (Fourierebene) angeordnet. Das von der Probe ausgehende Detektionslicht 85 gelangt durch das Mikroskopobjektiv 81, die Tubusoptik 77, die Scanoptik 75 zur Strahlablenkeinrichtung, von dieser zum Hauptstrahlteiler 57, passiert diesen und die nachfolgende Detektionslochblende 87 und gelangt schließlich zu dem Detektor 89, der als Multibanddetektor 91 ausgeführt ist. Der Detektor erzeugt elektrische zur Lichtleistung des Detektionslichts 85 proportionale Signale, die zur Bilddarstellung gemeinsam mit den Positionssignalen der Strahlablenkeinrichtung 59 an eine nicht gezeigte Verarbeitungseinheit weitergegeben werden.
Das gezeigte Rastermikroskop kann mit Proben unterschiedlichster Charakteristik betrieben werden, da es auf verschiedene Stimulationswellenlängen einfach einstellbar ist.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.

1: erstes Material
3: Glasprisma
5: zweites Material
7: metallische Beschichtung
9: erste Grenzfläche
11: Fläche
13: drittes Material
15: zweite Grenzfläche
17: erster Teil des Lichtbündels 19
19: Lichtbündel
21: zweiter Teil des Lichtbündels 19
23: Drehtisch
25: Glasprisma
27: erste Fläche
29: zweite Fläche
31: viertes Material
33: fünftes Material
35: dritte Grenzfläche
37: vierte Grenzfläche
39: fünfte Grenzfläche
41: fokussierende Optik
43: Mittel zur Formung des Fokus 45
45: Fokus
47: Fourierebene
49: Lichtquelle
51: Anregungslichtbündel
53: Pulslaser
55: Anregungslochblende
57: Hauptstrahlteiler
59: Strahlablenkeinrichtung
61: Scanspiegel
63: Lichtquelle
65: Pulslaser
67: Stimulationslichtbündel
69: Phasenfilter
71: Umlenkspiegel
73: Strahlteiler
75: Scanoptik
77: Tubusoptik
79: Optik
81: Mikroskopobjektiv
83: Probe
85: Detektionslicht
87: Detektionslochblende
89: Detektor
91: Multibanddetektor

Claims

Optische Vorrichtung mit einer fokussierenden Optik, die ein Lichtbündel in einer Brennebene fokussiert und mit einem Mittel zur Formung des Fokus des Lichtbündels, wobei das Mittel zur Formung des Fokus zwischen einem ersten Teil des Lichtbündels und einem zweiten Teil des Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Formung des Fokus eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material, und die zweite Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen dem ersten Material und einem dritten Material ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion des ersten und/oder des zweiten Teils des Lichtbündels eine Totalreflexion umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine Beschichtung auf dem ersten Material ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall beinhaltet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine metallische Beschichtung umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material aus Glas und/oder transparentem Kunststoff und/oder einem Kristall besteht.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine niedrige Dispersion aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine dreidimensionale geometrische Figur, insbesondere ein Prisma oder einen Rhomboeder oder einen Quader, bildet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil einer Fläche der dreidimensionalen geometrische Figur an das zweite Material und ein anderer Teil der Fläche an das dritte Material grenzt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material aus einem Gas und/oder einem Gasgemisch, insbesondere aus Luft, besteht.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge λ des Lichtbündels ist und dass die Phasenverschiebung etwa λ/2 oder λ/4 beträgt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel mehrere Wellenlängen aufweist und dass die Phasenverschiebung für jeden Wellenlängenanteil λ/2 oder λ/4 beträgt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel in Bezug auf die Reflexion s-polarisiert ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch Veränderung des Reflexionswinkels die Phasenverschiebung einstellbar ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehvorrichtung zum Drehen bzw. Schwenken des ersten Materials und/oder des zweiten Materials und/oder des dritten Materials vorgesehen ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Grenzflächen vorgesehen sind und dass die weiteren Grenzflächen das Lichtbündel oder Teile des Lichtbündels reflektieren.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Fokus ein Hohlfokus ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Fokus eine Ringform aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine Substruktur aufweisen.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet, durch die Verwendung in der Rastermikroskopie, insbesondere in der STED-Mikroskopie oder der up-conversion-depletion-Mikroskopie oder der 4PI-Mikroskopie.
Rastermikroskop mit einer fokussierenden Optik, die ein Lichtbündel in einer Brennebene fokussiert und mit einem Mittel zur Formung des Fokus des Lichtbündels, wobei das Mittel zur Formung des Fokus zwischen einem ersten Teil des Lichtbündels und einem zweiten Teil des Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Formung des Fokus eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.
Rastermikroskop nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material, und die zweite Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen dem ersten Material und einem dritten Material ist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion des ersten und/oder des zweiten Teils des Lichtbündels eine Totalreflexion umfasst.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine Beschichtung auf dem ersten Material ist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall beinhaltet.
Rastermikroskop nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine metallische Beschichtung umfasst.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material aus Glas und/oder transparentem Kunststoff und/oder einem Kristall besteht.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine niedrige Dispersion aufweist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine dreidimensionale geometrische Figur, insbesondere ein Prisma oder einen Rhomboeder oder einen Quader, bildet.
Rastermikroskop nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil einer Fläche der dreidimensionalen geometrischen Figur an das zweite Material und ein anderer Teil der Fläche an das dritte Material grenzt.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material aus einem Gas und/oder einem Gasgemisch, insbesondere aus Luft, besteht.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge λ des Lichtbündels ist und dass die Phasenverschiebung etwa λ/2 oder λ/4 beträgt.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel mehrere Wellenlängen aufweist und dass die Phasenverschiebung für jeden Wellenlängenanteil λ/2 oder λ/4 beträgt.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel in Bezug auf die Reflexion s-polarisiert ist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass durch Veränderung des Reflexionswinkels die Phasenverschiebung einstellbar ist.
Rastermikroskop nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehvorrichtung zum Drehen bzw. Schwenken des ersten Materials und/oder des zweiten Materials und/oder des dritten Materials vorgesehen ist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Grenzflächen vorgesehen sind und dass die weiteren Grenzflächen das Lichtbündel oder Teile des Lichtbündels reflektieren.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Fokus ein Hohlfokus ist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Fokus eine Ringform aufweist.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine Substruktur aufweisen.
Rastermikroskop nach einem der Ansprüche 22 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermikroskop eine Probe in einem Probenbereich mit einem Anregungslichtbündel optisch anregt.
Rastermikroskop nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel in dem angeregten Probenbereich oder in einem Teilbereich des angeregten Probenbereichs stimulierte Emission erzeugt.
Rastermikroskop nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel in dem angeregten Probenbereich oder in einem Teilbereich des angeregten Probenbereichs eine weitere Anregung der Probe, insbesondere eine weitere Anregung bereits angeregter Zustände, erzeugt.
Rastermikroskop einem der Ansprüche 22 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermikroskop ein konfokales Rastermikroskop, insbesondere ein STED-Mikroskop oder ein up-conversion-depletion-Mikroskop oder ein 4PI-Mikroskop, ist.
Phasenfilter, der zwischen einem ersten Teil eines Lichtbündels und einem zweiten Teil eines Lichtbündels eine Phasenverschiebung bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenfilter eine erste Grenzfläche und eine zweite Grenzfläche aufweist und dass die erste Grenzfläche den ersten Teil des Lichtbündels und die zweite Grenzfläche den zweiten Teil des Lichtbündels reflektiert.
Phasenfilter nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen einem ersten Material und einem zweiten Material, und die zweite Grenzfläche eine Grenzfläche zwischen dem ersten Material und einem dritten Material ist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexion des ersten und/oder des zweiten Teils des Lichtbündels eine Totalreflexion umfasst.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine Beschichtung auf dem ersten Material ist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 47 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material ein Metall beinhaltet.
Phasenfilter nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material eine metallische Beschichtung umfasst.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 47 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material aus Glas und/oder transparentem Kunststoff und/oder einem Kristall besteht.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 47 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine niedrige Dispersion aufweist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 52 oder 53, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material eine dreidimensionale geometrische Figur, insbesondere ein Prisma oder einen Rhomboeder oder einen Quader, bildet..
Phasenfilter nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil einer Fläche der dreidimensionalen geometrische Figur an das zweite Material und ein anderer Teil der Fläche an das dritte Material grenzt.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 47 bis 55, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material aus einem Gas und/oder einem Gasgemisch, insbesondere aus Luft, besteht.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge λ des Lichtbündels ist und dass die Phasenverschiebung etwa λ/2 oder λ/4 beträgt.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 57, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel mehrere Wellenlängen aufweist und dass die Phasenverschiebung für jeden Wellenlängenanteil λ/2 oder λ/4 beträgt.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 58, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel in Bezug auf die Reflexion s-polarisiert ist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 59, dadurch gekennzeichnet, dass durch Veränderung des Reflexionswinkels die Phasenverschiebung einstellbar ist.
Phasenfilter nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehvorrichtung zum Drehen bzw. Schwenken des ersten Materials und/oder des zweiten Materials und/oder des dritten Materials vorgesehen ist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 61, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Grenzflächen vorgesehen sind und dass die weiteren Grenzflächen das Lichtbündel oder Teile des Lichtbündels reflektieren.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 62, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Fokus ein Hohlfokus ist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 63, dadurch gekennzeichnet, dass der geformte Fokus eine Ringform aufweist.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 64, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material und/oder das zweite Material und/oder das dritte Material eine Substruktur aufweisen.
Phasenfilter nach einem der Ansprüche 46 bis 65, gekennzeichnet, durch die Verwendung in der Mikroskopie, der Rastermikroskopie, insbesondere in der STED-Mikroskopie oder der upconversion-depletion-Mikroskopie oder der 4Pi-Mikroskopie oder der Phasenkontrastmikroskopie.