DE102005006239A1

DE102005006239A1 - Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE102005006239A1
Application number: DE200510006239
Authority: DE
Inventors: Jürgen Riedmann
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2005-02-10
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2006-08-17
Also published as: JP2006221180A

Abstract

Eine Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls (1), insbesondere in einem Scannmikroskop, mit mindestens einem optischen Bauteil (2) zur Beeinflussung der Divergenz und/oder Konvergenz des Lichtstrahls (1) und einer Positioniereinrichtung (3) für das Bauteil (2) ist im Hinblick auf eine schnelle Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Positioniereinrichtung (3) mindestens ein Piezoelement (4) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls, insbesondere in einem Scanmikroskop, mit mindestens einem optischen Bauteil zur Beeinflussung der Divergenz und/oder Konvergenz des Lichtstrahls und einer Positioniereinrichtung für das Bauteil.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichen Ausgestaltungen. Beispielsweise werden zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls in einem Mikroskop motorgetriebene mechanische Einrichtungen zur Einstellung der Position von optischen Bauteilen verwendet.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls ist problematisch, dass die motorgetriebenen mechanischen Verstelleinrichtungen eine für viele Anwendungen deutlich zu langsame Stellgeschwindigkeit aufweisen. Mit anderen Worten kann das optische Bauteil nicht so schnell positioniert werden, wie es bei der jeweiligen Anwendung erforderlich wäre. Des Weiteren treten bei den bekannten Vorrichtungen häufig ungewünschte Vibrationen während des Positioniervorgangs des Bauteils auf. Eine Untersuchung vibrationsempfindlicher Proben ist dann häufig nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine schnelle Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist die Vorrichtung derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Positioniereinrichtung mindestens ein Piezoelement aufweist.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass zur Positionierung optischer Bauteile Piezoelemente in vorteilhafter Weise eingesetzt werden können. Derartige Piezoelemente ermöglichen eine Justierung optischer Bauteile mit hoher Geschwindigkeit und nahezu ohne Vibrationen. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung ist eine Positionierung des mit dem Piezoelement gekoppelten Bauteils auf einfache Weise möglich. Durch geeignete Positionierung des Bauteils kann das Abbildungsverhalten des Systems verändert werden.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls eine Vorrichtung angegeben, bei der eine schnelle Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz ermöglicht ist.

Bei einer konkreten Ausgestaltung der Vorrichtung könnte das mindestens eine Piezoelement einen im Wesentlichen röhrenförmigen Bereich aufweisen. Durch Anlegen einer Spannung lässt sich die Länge des röhrenförmigen Bereichs verändern und damit das Bauteil positionieren. Der Lichtstrahl könnte dabei durch den röhrenförmigen Bereich hindurch geführt sein.

Bei einer weiter konkreten Ausgestaltung könnte an einem Ende und vorzugsweise an beiden Enden des röhrenförmigen Bereichs jeweils mindestens ein optisches Bauteil angeordnet sein. Dabei ist eine Anordnung mindestens eines optischen Bauteils an beiden Enden des röhrenförmigen Bereichs besonders vorteilhaft. Wird an das Piezoelement bzw. an den röhrenförmigen Bereich eine Spannung angelegt, verändert sich der Abstand der an den beiden Enden angeordneten optischen Bauteile relativ zueinander. Hierdurch verändert sich das Abbildungsverhalten des gesamten optischen Systems, in dem die Vorrichtung eingesetzt ist. Genauer gesagt könnte der röhrenförmige Bereich durch Anlegen einer elektrischen Spannung verlängerbar und/oder verkürzbar sein.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten beispielsweise zwei Piezoelemente mit röhrenförmigen Bereichen verwendet werden, wobei an jedem röhrenförmigen Bereich mindestens ein optisches Bauteil angeordnet ist. Beide Piezoelemente könnten dabei in vorteilhafter Weise mit derselben Treiberelektronik gesteuert werden. Die Piezoelemente wären damit quasi parallel geschaltet. In jedem Fall wäre durch Anlegen einer geeigneten Spannung eine Veränderung des Abstands der optischen Bauteile relativ zueinander erreichbar.

Die Vorrichtung könnte in weiter vorteilhafter Weise derart ausgestaltet sein, dass die Brennpunkte der optischen Bauteile ohne das Anlegen einer elektrischen Span nung zusammenfallen. In diesem Fall verlässt Licht, das kollimiert an einem Ende in den röhrenförmigen Bereich eintritt, den röhrenförmigen Bereich am anderen Ende ebenfalls wieder kollimiert. Zur Einstellung eines konvergenten oder divergenten Lichtstrahls kann der röhrenförmige Bereich durch Anlegen einer Steuerspannung verlängert oder verkürzt werden. In einer derartigen Situation fallen die Brennpunkte der optischen Bauteile nicht mehr zusammen, was zur Folge hat, dass der Lichtstrahl nach Durchgang durch den röhrenförmigen Bereich konvergent oder divergent eingestellt ist.

Bei einer alternativen Ausgestaltung könnte die Anordnung der optischen Bauteile derart gewählt werden, dass die Brennpunkte der optischen Bauteile ohne elektrische Spannung nicht zusammenfallen.

Bei einer besonders einfachen Ausgestaltung der Vorrichtung könnten die an dem einen und an dem anderen Ende des röhrenförmigen Bereichs angeordneten optischen Bauteile gleiche Brennweiten aufweisen. Im einfachsten Fall könnten die an dem einen und an dem anderen Ende des röhrenförmigen Bereichs angeordneten optischen Bauteile gleich ausgebildet sein.

Bei einer alternativen Ausführung könnten die an dem einen und an dem anderen Ende des röhrenförmigen Bereichs angeordneten optischen Bauteile unterschiedliche Brennweiten aufweisen. Dabei könnte die Vorrichtung derart ausgestaltet werden, dass der Lichtstrahl beim Durchgang durch den röhrenförmigen Bereich aufgeweitet wird. Hierdurch könnte ein Beamexpander mit verstellbarer Divergenz realisiert werden.

Bei einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung könnte das mindestens eine optische Bauteil eine Linse sein. Vorzugsweise könnte es sich hierbei um eine Positivlinse handeln. Bei einer alternativen Ausgestaltung könnte das mindestens eine optische Bauteil auch ein Achromat sein.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können zwei optische Bauteile in ein als Röhrchen ausgebildetes Piezoelement oder in einen röhrenförmigen Bereich eines Piezoelements eingesetzt werden. Dies ermöglicht im Vergleich zu herkömmlichen Systemen eine erheblich höhere Verstellgeschwindigkeit, da die Trägheit des Sys tems bei gleichem optischen Effekt wie bei einzeln angesteuerten optischen Bauteilen deutlich verringert ist. Dies ist beispielsweise wesentlich, um die Divergenz des Lichtstrahls in einem konfokalen Laser-Scanmikroskop synchron zur Scanbewegung des Laserstrahls zu verstellen. Hierdurch wird es möglich, beispielsweise die Bildfeldwölbung des Mikroskopobjektivs durch einen darauf abgestimmten z-Scan des Laserfokus zu kompensieren, der durch die Divergenzverstellung erzeugt wird. Da die Vorrichtung vollkommen symmetrisch aufgebaut werden könnte, wird das jeweils übergeordnete System nur minimal zu Schwingungen angeregt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung könnte in einem Mikroskop ein z-Scan eines Fokus des Lichtstrahls durchführbar sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte mit der Vorrichtung im Mikroskop eine Korrektur einer Bildfeldwölbung durchführbar sein. Weiter alternativ oder zusätzlich könnte mit der Vorrichtung im Mikroskop eine Korrektur eines Farblängsfehlers oder einer Feldwölbung für einzelne Farben durchführbar sein.

Grundsätzlich genügt die Resonanzfrequenz feines Piezoröhrchens der folgenden Proportionalität:
f ~ √ (Steifigkeit/bewegte Masse)

Halbiert man ein Piezoröhrchen, verdoppelt sich die Steifigkeit. Daraus folgte eine Erhöhung der Resonanzfrequenz um den Faktor 1,4.

Je nach Größe der Masse der an das Piezoröhrchen angefügten „Last" relativ zur Masse des Piezoröhrchens ergibt sich durch die Reduzierung der Masse des Piezoröhrchens eine weitere Erhöhung der Resonanzfrequenz. Bei einem Piezoröhrchen ohne äußere Last ergibt sich ein weiterer Faktor √ 2 und im Grenzfall einer gegenüber der äußeren Last vernachlässigbaren Eigenmasse des Piezoröhrchens ergibt sich nur noch der Faktor 1. Es liegt dann also kein Effekt mehr vor.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls, wobei an das Piezoelement keine Spannung angelegt ist,
2 in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel aus 1, wobei das Piezoelement durch Anlegen einer geeigneten Spannung verkürzt ist, und
3 in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel aus 1, wobei das Piezoelement durch Anlegen einer geeigneten Spannung verlängert ist.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls 1. Die Vorrichtung kann insbesondere bei einem konfokalen Laser-Scanmikroskop eingesetzt werden. Die Vorrichtung weist zwei optische Bauteile 2 in Form von gleich ausgebildeten Positivlinsen auf. Mit den Linsen wird die Divergenz und/oder Konvergenz des Lichtstrahls 1 beeinflusst. Die Vorrichtung weist des Weiteren eine Positioniereinrichtung 3 für die Linsen auf. Im Hinblick auf eine besonders schnelle Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz weist die Positioniereinrichtung 3 ein Piezoelement 4 auf. Die Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz kann damit nicht nur besonders schnell sondern auch nahezu ohne Vibrationen erfolgen. Dies ist bei Mikroskopieranwendungen besonders vorteilhaft.
Das Piezoelement 4 weist einen im Wesentlichen röhrenförmigen Bereich 5 auf, durch den der Lichtstrahl 1 hindurchtritt. Mit anderen Worten ist ein Piezoröhrchen realisiert. Die optischen Bauteile 2 in Form von Linsen sind an beiden Enden des röhrenförmigen Bereichs 5 angeordnet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung ist der röhrenförmige Bereich 5 verlängerbar und/oder verkürzbar.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist keine Spannung angelegt, so dass ein in das Piezoröhrchen eintretender kollimierter Lichtstrahl 1 wieder kollimiert aus dem Piezoröhrchen austritt.
In den 2 und 3 ist jeweils das Ausführungsbeispiel aus 1 bei Anlegung unterschiedlicher Spannungen an den röhrenförmigen Bereich 5 gezeigt, was in 2 zu einer Verkürzung und in 3 zu einer Verlängerung des röhrenförmigen Bereichs 5 oder Piezoröhrchens führt. Entsprechend wird in der Situation gemäß 2 ein divergenter Lichtstrahl 6 und in der Situation gemäß 3 ein konvergenter Lichtstrahl 7 erzeugt.
Ohne elektrische Spannung fallen die Brennpunkte der optischen Bauteile 2 oder Positivlinsen gemäß 1 zusammen. Die zwei optischen Bauteile 2 in Form der Positivlinsen weisen gleiche Brennweiten auf.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein z-Scan eines Fokus des Lichtstrahls 1 in einem Mikroskop durchführbar. Des Weiteren sind Korrekturen einer Bildfeldwölbung und/oder eines Farblängsfehlers oder einer Feldwölbung für einzelne Farben, beispielsweise eines UV-Lichts mit 405 nm Wellenlänge, durchführbar.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls 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 lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Vorrichtung zur Einstellung der Divergenz und/oder Konvergenz eines Lichtstrahls (1), insbesondere in einem Scanmikroskop, mit mindestens einem optischen Bauteil (2) zur Beeinflussung der Divergenz und/oder Konvergenz des Lichtstrahls (1) und einer Positioniereinrichtung (3) für das Bauteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (3) mindestens ein Piezoelement (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezoelement (4) einen im Wesentlichen röhrenförmigen Bereich (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende und vorzugsweise an beiden Enden des röhrenförmigen Bereichs (5) jeweils mindestens ein optisches Bauteil (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der röhrenförmige Bereich (5) durch Anlegen einer elektrischen Spannung verlängerbar und/oder verkürzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte der optischen Bauteile (2) ohne elektrische Spannung zusammenfallen.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte der optischen Bauteile ohne elektrische Spannung nicht zusammenfallen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem einen und an dem anderen Ende des röhrenförmigen Bereichs (5) angeordneten optischen Bauteile (2) gleiche Brennweiten aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem einen und an dem anderen Ende des röhrenförmigen Bereichs (5) angeordneten optischen Bauteile (2) gleich ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem einen und an dem anderen Ende des röhrenförmigen Bereichs angeordneten optischen Bauteile unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Bauteil (2) eine Linse, vorzugsweise eine Positivlinse, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Bauteil ein Achromat ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung im Mikroskop ein z-Scan eines Fokus des Lichtstrahls (1) durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung im Mikroskop eine Korrektur einer Bildfeldwölbung durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Vorrichtung im Mikroskop eine Korrektur eines Farblängsfehlers oder einer Feldwölbung für einzelne Farben durchführbar ist.