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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 26. November 2004
eingereichten japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2004-342718.
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Diese
Erfindung betrifft ein Spektroskop, welches mit einem spektroskopischen
Element zum spektralen Zerlegen von Eingangslicht aus einem Eingangs-Abschnitt
ausgerüstet
ist, und ein damit ausgerüstetes
Mikrospektroskop.
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Bisher
wurde ein Beugungsgitter als spektroskopisches Element für Spektroskope
verwendet. Das Beugungsgitter ist polarisationsabhängig, so dass
seine Beugungseffizienz für
S-polarisiertes Licht, bei dem die Richtung der Oszillation des
elektrischen Feldes senkrecht zu der Richtung der Gitterstriche
bzw. Gitterrillen des Beugungsgitters ist, größer als für P-polarisiertes Licht, bei
dem die Richtung der Oszillation des elektrischen Feldes parallel
zu der Richtung der Gitterstriche bzw. Gitterrillen des Beugungsgitters
ist, gehalten wird. Insbesondere im langwelligen Bereich, in dem
die Wellenlänge
des einfallenden Lichts vergleichbar oder größer als die Periode (des Abstandes
der Gitterstriche) des Beugungsgitters ist, wird diese Tendenz auffällig. In
anderen Worten, je kürzer
die Periode des Beugungsgitters wird, desto auffälliger wird diese Tendenz,
so dass bei Verwendung eines Beugungsgitters mit hoher Auflösung dies
bemerkt wird.
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Um
diesen Unterschied bei der Beugungseffizienz in Abhängigkeit
von der Polarisationsrichtung zu beseitigen, wurde in dem US-Patent
US 6,498,872 B2 eine
entsprechende Technik bekannt gemacht.
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Diese
Technik beinhaltet das Ausrichten der Polarisationsrichtung des
auf das Beugungsgitter einfallenden Lichts. Insbesondere wird das
aus einer Einfallsöffnung
kommende Licht mittels eines polarisierenden Strahlteilers in P-polarisiertes
Licht und in S-polarisiertes Licht aufgeteilt, wird das P-polarisierte Licht
mittels einer λ/2-Platte in S-polarisiertes
Licht umgewandelt und werden der ursprüngliche S-polarisierte Lichtstrahl
sowie der aus dem P-polarisierten Licht umgewandelte S-polarisierte
Lichtstrahl parallel zueinander zu einem Beugungsgitter geführt.
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Da
die Polarisationsrichtungen des auf das Beugungsgitter einfallenden
Lichts ausgerichtet werden, wird gemäß der in dem US-Patent
US 6,498,872 B2 beschriebenen
Technik das Problem der Polarisationsabhängigkeit des Beugungsgitters
gelöst.
Da das ursprüngliche
S-polarisierte Licht und das aus dem P-polarisierten Licht umgewandelte
S-polarisierte Licht auf dem Beugungsgitter auf entsprechenden Gebieten
einfallen, die voneinander verschieden sind, ist ein großes Beugungsgitter
notwendig, woraus das Problem resultiert, dass das Instrument groß und teuer
wird.
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Diese
Erfindung wurde unter dem Eindruck der vorgenannten Probleme gemacht
und hat die Aufgabe, ein Spektroskop und ein damit ausgerüstetes Mikrospektroskop
bereitzustellen, welche imstande sind, die Dimension und die Kosten
zu reduzieren und dennoch das durch die Polarisationsabhängigkeit
des Beugungsgitters verursachte Problem zu vermeiden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt dieser Erfindung weist ein Spektroskop auf: einen
Eingangs-Abschnitt; ein spektroskopisches Element, welches aus dem
Eingangs-Abschnitt herauskommendes Licht spektral zerlegt; einen
Ausgangs-Abschnitt,
welcher das von dem spektroskopischen Element spektral zerlegte
Licht ausgibt, oder einen Detektor, welcher das von dem spektroskopischen
Element spektral zerlegte Licht detektiert; ein Polarisations-Teilerelement,
welches das Licht von dem Eingangs-Abschnitt in einen ersten optischen
Pfad und einen zweiten optischen Pfad aufteilt und welches jedem Licht
eines jeden optischen Pfades eine zueinander unterschiedliche Polarisationsrichtung
gibt; einen Polarisationsrotator, welcher in dem ersten optischen Pfad
angeordnet ist und die Polarisationsrichtung des Lichts in dem ersten
optischen Pfad in die Polarisationsrichtung des Lichts in dem zweiten
optischen Pfad ausrichtet; und einen Strahlablenker, welcher entweder
in dem ersten optischen Pfad oder in dem zweiten optischen Pfad
angeordnet ist und welcher den jeweiligen optischen Pfad derart
ablenkt, dass zumindest ein Teil eines Gebiets, in dem das durch den
einen optischen Pfad hindurch laufende Licht auf das spektroskopische
Element auftrifft, und ein Gebiet, in dem das durch den anderen
optischen Pfad hindurch laufende Licht auf das spektroskopische Element
auftrifft, miteinander überlappen.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung ist das Polarisations-Teilerelement bevorzugt
eine polarisierende Strahlteilerplatte mit einer planparallelen
Plattenform.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung ist das Polarisations-Teilerelement bevorzugt
ein polarisierender Strahlteilerwürfel mit einer Einfalls-Oberfläche und
einer Austritts-Oberfläche,
wobei die Einfalls-Oberfläche
des polarisierenden Strahlteilerwürfels bezüglich der Austritts-Oberfläche geneigt
ist.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung ist die Einfalls-Oberfläche des polarisierenden Strahlteilerwürfels bevorzugt
nicht senkrecht zum einfallenden Licht.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung ist der Polarisationsrotator bevorzugt eine λ/2-Platte
in Form eines Fresnelschen Rhombus.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung weist das Spektroskop bevorzugt außerdem auf:
ein optisches Überlagerungselement,
welches zumindest einen Teil eines Gebiets, in dem das durch den
anderen optischen Pfad hindurch laufende und mittels des spektroskopischen
Elements spektral zerlegte Licht auf den Ausgangs-Abschnitt oder
den Detektor einfällt,
relativ zu einem Gebiet, in dem das durch den einen optischen Pfad hindurch
laufende und mittels des spektroskopischen Elements spektral zerlegte
Licht auf den Ausgangs-Abschnitt oder den Detektor einfällt, überlagert.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung ist das spektroskopische Element bevorzugt
ein Beugungsgitter, in dem eine Mehrzahl von Gitterstegen parallel
zueinander gebildet ist und bei dem der Einfallswinkel des durch
den einen optischen Pfad hindurch laufenden und auf das Beugungsgitter
einfallenden Lichts und der Einfallswinkel des durch den anderen
optischen Pfad hindurch laufenden und auf das Beugungsgitter einfallenden
Lichts in einer Ebene senkrecht zu der Richtung der Gitterstege
im Wesentlichen gleich sind und in einer die Gitterstege enthaltenden
Ebene verschieden sind.
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Bei
dem Spektroskop gemäß dem ersten
Aspekt dieser Erfindung haben der Einfallswinkel des durch den einen
optischen Pfad hindurch laufenden und auf das Beugungsgitter einfallenden
Lichts und der Einfallswinkel des durch den anderen optischen Pfad
hindurch laufenden und auf das Beugungsgitter einfallenden Lichts
bevorzugt den gleichen absoluten Wert.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt dieser Erfindung weist ein Mikrospektroskop auf:
ein konfokales Mikroskop und das Spektroskop gemäß dem ersten Aspekt dieser
Erfindung. Das konfokale Mikroskop weist auf: eine Laserlichtquelle;
ein konvergierendes optisches System, welches das Licht von der
Laserlichtquelle auf eine Beobachtungsoberfläche konvergiert; ein Pinhole-Element,
auf dem ein mit der Beobachtungsoberfläche optisch konjugiertes Pinhole (Loch)
gebildet ist; und ein optisches System, welches eingerichtet ist,
das von der Beobachtungsoberfläche
reflektierte Licht auf das Pinhole zu konvergieren. Das Spektroskop
spaltet das durch das Pinhole des konfokalen Mikroskops hindurch
laufende Licht spektral auf.
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Andere
Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden aus der detaillierten
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen leicht verständlich.
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1 ist
eine perspektivische Darstellung, die ein Spektroskop gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung zeigt.
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2A, 2B und 2C sind
Graphiken, die das Spektroskop gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung zeigen, wobei 2A eine
Seitenansicht ist, die den größten Teil
des Spektroskops zeigt,
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2B eine
Graphik ist, die eine λ/2-Platte in
der Form eines Fresnelschen Rhombus zeigt, und 2C eine
Graphik ist, die ein Beugungsgitter von der Z-Achse aus betrachtet zeigt.
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3 ist
eine Graphik, die eine polarisierende Strahlteilerplatte gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung und die durch diese Strahlteilerplatte hindurch
laufenden optischen Pfade erklärt.
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4 ist
eine Seitenansicht des Hauptteils eines Spektroskops gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung, die eine Variation des ersten Ausführungsbeispiels
dieser Erfindung darstellt.
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5 ist
eine Graphik, die ein Mikrospektroskop mit dem Spektroskop gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung zeigt.
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Ausführungsbeispiele
dieser Erfindung werden nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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Wie
in l dargestellt, weist ein Spektroskop
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung auf: eine Eingangsfaser 1, eine Kollimatorlinse 2 zum
Kollimieren (parallel Ausrichten) des Lichts aus der Eingangsfaser 1,
eine polarisierende Strahlteilerplatte 3 zum Aufteilen
des kollimierten Lichts in einen ersten optischen Pfad C1 und einen zweiten
optischen Pfad C2, wobei den jeweiligen Lichtstrahlen entlang dem
ersten optischen Pfad C1 und entlang dem zweiten optischen Pfad
C2 zueinander verschiedene Polarisationsrichtungen gegeben wird,
ein Beugungsgitter 6 vom Reflexions-Typ zum spektralen
Zerlegen von durch den ersten optischen Pfad C1 hindurch laufendem
Licht und von durch den zweiten optischen Pfad C2 hindurch laufendem
Licht, einen Beugungsgitter-Tisch 7 mit einer Rotationsachse
parallel zu der Richtung der Gitterstriche 6a des Beugungsgitters 6,
eine λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ zum Ausrichten der Polarisationsrichtung
des Lichts entlang dem ersten optischen Pfad C1 in diejenige des
Lichts entlang dem zweiten optischen Pfad C2, einen ebenen Spiegel 4 zum
Ablenken des zweiten optischen Pfades C2 derart, dass ein Einfallsgebiet,
in dem das durch den zweiten optischen Pfad C2 hindurch laufende
Licht einfällt,
und ein Einfallsgebiet, in dem das durch den ersten optischen Pfad
C1 hindurch laufende Licht einfällt,
auf dem Beugungsgitter 6 miteinander überlappen, ein Photodetektor-Array 9 zum
Detektieren der Lichtintensität
eines jeden von dem Beugungsgitter 6 spektral zerlegten
Wellenlängenbereichs,
einen ersten konkaven Spiegel 8a zum Sammeln des von dem Beugungsgitter 6 spektral
zerlegten Lichts aus dem ersten optischen Pfad C1 und zum Konvergieren
auf die Detektionsoberfläche
des Photodetektor-Arrays 9, und einen zweiten konkaven
Spiegel 8b zum Sammeln des von dem Beugungsgitter 6 spektral
zerlegten Lichts aus dem zweiten optischen Pfad C2 und zum Konvergieren
auf die Detektionsoberfläche
des Photodetektor-Arrays 9. Zum Zwecke der nachfolgenden
Erklärung
wird nun angenommen, dass eine Richtung parallel zur optischen Achse
der Kollimatorlinse 2 eine Z-Richtung ist, dass eine Richtung
senkrecht zur Z-Richtung und in einer Ebene liegend, die von der
Z-Richtung und der Richtung des von der polarisierenden Strahlteilerplatte 3 weg
von der Z-Richtung reflektierten Lichts aufgespannt wird, eine Y-Richtung
ist, und dass eine Richtung senkrecht sowohl zur Z-Richtung als
auch zur Y-Richtung eine X-Richtung ist.
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Die
polarisierende Strahlteilerplatte 3 wird durch eine planparallele
Glasplatte gebildet, welche mit einer dielektrischen Reflexionsbeschichtung
versehen ist. Wie in 2A dargestellt, ist der Einfallswinkel
des Lichts auf die Einfalls-Oberfläche 3a der polarisierenden
Strahlteilerplatte 3 auf einen Wert von 60° eingestellt. Übrigens
gibt der Einfallswinkel einen Winkel des einfallenden Lichts relativ
zur Normalen n der von dem einfallenden Licht beleuchteten Ebene
an. Ein Teil des aus der Kollimatorlinse 2 herauskommenden
Lichts wird von der polarisierenden Strahlteilerplatte 3 als
S-polarisiertes Licht reflektiert und breitet sich dann entlang
dem zweiten optischen Pfad C2 parallel zur Y-Z-Ebene aus. Der Rest
des Lichts geht durch die polarisierende Strahlteilerplatte 3 als
P-polarisiertes Licht hindurch und breitet sich dann entlang dem
ersten optischen Pfad C1 parallel zu der optischen Achse aus. Nebenbei
bemerkt ist 2A eine Graphik, die das Spektroskop
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung aus der X-Richtung betrachtet darstellt. 2B ist eine
Graphik, die die λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ aus der Z-Richtung betrachtet darstellt. 2C ist
eine Graphik, die das Beugungsgitter 6 aus der Y-Richtung
betrachtet darstellt.
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Die λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ ist ein doppelbrechendes Element, das interne
Totalreflexion mit extrem kleiner Wellenlängenabhängigkeit verwendet und geeignet
ist, für
Licht mit verschiedenen Wellenlängen
verwendet zu werden. Bei der λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ wird das Licht, das durch eine Eintritts-Oberfläche 5a in
die λ/2-Platte 5 hereinkommt,
vier Mal in einer Reflexions-Ebene reflektiert und verlässt die λ/2-Platte 5 durch
eine Austritts-Oberfläche 5b.
Bei der λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ stehen die Eintritts- Oberfläche 5a und die Austritts-Oberfläche 5b senkrecht
zur Z-Richtung, und die oben beschriebene Reflexions-Ebene ist mit
einem Winkel von 45° relativ
zu der Z-X-Ebene ausgerichtet, wie in 2B dargestellt
ist. Indem die λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ auf diese Weise angeordnet wird, wird der
Polarisationszustand des durch die polarisierende Strahlteilerplatte 3 hindurch
laufenden P-polarisierten Lichts bei jeder internen Totalreflexion um
1/8 der Wellenlänge
gedreht, um zusammen eine halbe Wellenlänge zu erreichen, so dass das
P-polarisierte Licht in S-polarisiertes Licht konvertiert wird. Das
konvertierte S-polarisierte Licht breitet sich dann entlang der
optischen Achse der Kollimatorlinse 2, in anderen Worten:
in eine Richtung parallel zur Z-Richtung, aus und fällt auf
das Beugungsgitter 6 ein.
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Der
den zweiten optischen Pfad C2 ablenkende ebene Spiegel 4 ist
derart angeordnet, dass der Einfallswinkel des S-polarisierten Lichts
in dem zweiten optischen Pfad C2 einen Wert von 56° annimmt.
Wenn der ebene Spiegel 4 derart angeordnet wird, dass der
Einfallswinkel des S-polarisierten Lichts in dem zweiten optischen
Pfad C2 einen Wert von 60° annimmt,
wird das von dem ebenen Spiegel 4 reflektierte S-polarisierte
Licht parallel zu dem durch die polarisierende Strahlteilerplatte 3 hindurch laufende
P-polarisierten Lichtstrahl, parallel zu dem von der λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ konvertierten S-polarisierten Licht und
parallel zur Z-Richtung. Da andererseits in dem oben beschriebenen
ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung der ebene Spiegel 4 derart angeordnet
ist, dass der Einfallswinkel des S-polarisierten Lichts in dem zweiten
optischen Pfad C2 einen Wert von 56° annimmt, kreuzt der von dem
ebenen Spiegel 4 reflektierte und sich entlang dem zweiten
optischen Pfad C2 ausbreitende S-polarisierte Lichtstrahl den sich
entlang dem ersten optischen Pfad C1 ausbreitenden S-polarisierten
Lichtstrahl mit einem Winkel von 8° an einer Position, die einen
vorgegebenen Abstand zu dem ebenen Spiegel 4 aufweist.
Das oben beschriebene Beugungsgitter 6 ist an der Position
angeordnet, an der sich die beiden Lichtstrahlen kreuzen. Dementsprechend überlappen
sich das Einfallsgebiet des sich entlang dem ersten optischen Pfad
C1 ausbreitende S-polarisierte Licht und das Einfallsgebiet des
sich entlang dem zweiten optischen Pfad C2 ausbreitende S-polarisierte
Licht auf der Einfalls-Oberfläche des
Beugungsgitters 6. Folglich kann die Breite des Beugungsgitters 6 in
Y-Richtung, in anderen Worten: die Breite des Beugungsgitters 6 in
der Richtung der Gitterstege 6a, gegenüber dem Stand der Technik verkleinert
werden.
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Das
Beugungsgitter 6 ist derart angeordnet, dass die Normale
n der Einfalls-Oberfläche
einen Winkel n von 4° zur
Z-X-Ebene (siehe 2A) und einen Winkel θ zur Y-Z-Ebene
(siehe 2C) aufweist, und dass sich
die Gitterstege 6a im Wesentlichen in der Y-Richtung, genauer:
in eine Richtung mit einem Winkel von 8° zur Y-Richtung, erstrecken.
Da das Beugungsgitter 6 auf diese Weise angeordnet ist, hat
in der Y-Z-Ebene der Einfallswinkel des aus dem P-polarisierten
Licht in das S-polarisierte Licht konvertierten und sich entlang
dem ersten optischen Pfad C1 ausbreitenden Lichts bezogen auf das
Beugungsgitter 6 einen Wert von 4° und der Einfallswinkel des
sich entlang dem zweiten optischen Pfad C2 ausbreitenden S-polarisierten
Lichts bezogen auf das Beugungsgitter 6 einen wert von –4°.
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In
anderen Worten, da beide optischen Pfade C1, C2 parallel zur Y-Z-Ebene
sind, sind der Einfallswinkel des sich entlang dem ersten optischen Pfad
C1 ausbreitenden S-polarisierten Lichts bezogen auf das Beugungsgitter 6 und
der Einfallswinkel des sich entlang dem zweiten optischen Pfad C2
ausbreitenden S-polarisierten Lichts bezogen auf das Beugungsgitter 6 gleich
dem Winkel θ in
der Ebene senkrecht zu den Gitterstrichen 6a des Beugungsgitters 6.
Da der erste optische Pfad C1 einen Winkel von 8° zu dem zweiten optischen Pfad
C2 in einer Ebene parallel zu der Y-Z-Ebene einschließt, sind
die absoluten Werte dieser Einfallswinkel gleich, obwohl diese Einfallswinkel
in einer die Gitterstege 6a des Beugungsgitters 6 aufweisenden
Ebene verschieden sind. Solange der absolute Wert des Einfallswinkels des
S-polarisierten Lichts in einer Ebene parallel zu der Y-Z-Ebene innerhalb eines
vorgegebenen Toleranzbereichs bezüglich des ersten optischen
Pfades C1 und des zweiten optischen Pfades C2 liegt, gibt es übrigens
kein Problem.
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Wenn
die Richtung des auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
Lichts parallel zu einer Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des
Beugungsgitters 6 ist, wird die Richtung des von dem Beugungsgitter 6 reflektierten
Lichts für
jeden Wellenlängenbereich
im Allgemeinen parallel zu der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des
Beugungsgitters 6. In diesem Fall ist dann die nachfolgende
Bedingungsgleichung (1) erfüllt: sinθ + sinφ = nλ (1)wobei θ den Einfallswinkel
auf das Beugungsgitter 6, φ den Austrittswinkel, n die
Anzahl der Gitterstriche 6a des Beugungsgitters 6 pro
Einheitslänge
und λ die Wellenlänge des
Lichts bezeichnet.
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Da
die Richtung des auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
Lichts bezüglich
der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des Beugungsgitters 6 geneigt
ist, ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung die Bedingungsgleichung (1) jedoch nicht erfüllt, jedoch
ist die nachfolgende Bedingungsgleichung (2) erfüllt: (sinθ +
sinφ)cosη = nλ (2)wobei (neben
den zu (1) bereits beschriebenen Variablen) η den Winkel des auf die Ebene
senkrecht zu den Gitterstegen 6a des Beugungsgitters 6 einfallenden
Lichtstrahls, in anderen Worten: einen Depressions-Einfallswinkel,
bezeichnet.
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Da
die Depressions-Einfallswinkel ±4° betragen, errechnet sich in
dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung cos η der
Bedingungsgleichung (2) zu 0,9975 ≈ 1
und dies kann im Wesentlichen vernachlässigt werden, so dass die Bedingungsgleichung
(1) auch in dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung erfüllt
ist.
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Der
Grund, warum die Bedingungsgleichung (1) erfüllt ist, ist jedoch, dass die
Einfalls-Oberfläche des
Beugungsgitters 6 zu der X-Y-Ebene um 8° geneigt ist, so dass der absolute
Wert (4°)
des Depressions-Einfallswinkels des durch den ersten optischen Pfad
C1 hindurch auf das Beugungsgitter 6 einfallenden S-polarisierten
Lichts relativ zu der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des
Beugungsgitters 6 und der absolute Wert (4°) des Depressions-Einfallswinkels
des durch den zweiten optischen Pfad C2 hindurch auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
S-polarisierten Lichts relativ zu der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des
Beugungsgitters 6 den selben Wert haben. Wenn der Depressions-Einfallswinkel
des durch den ersten optischen Pfad C1 hindurch auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
S-polarisierten Lichts relativ zu der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des
Beugungsgitters 6 auf 0° und
der Depressions-Einfallswinkel des durch den zweiten optischen Pfad
C2 hindurch auf das Beugungsgitter 6 einfallenden S-polarisierten
Lichts relativ zu der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des
Beugungsgitters 6 auf –8° eingestellt
werden, wird die Bedingungsgleichung (1) bezüglich des durch den ersten optischen
Pfad C1 hindurch auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
S-polarisierten Lichts erfüllt,
das cosη den
Wert 1 annimmt (η =
0°). Hinsichtlich
des durch den zweiten optischen Pfad C2 hindurch auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
Lichts kann der Faktor cosη,
da cosη den
Wert 0,990 annimmt (η = –8°), unter
bestimmten Umständen
nicht vernachlässigt
werden, so dass ein Wellenlängenfehler
von ungefähr 1%
zwischen diesen zwei durch diese zwei optischen Wege C1, C2 hindurch
laufenden und von dem selben Detektor detektierten Lichtstrahlen
verursacht wird.
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Wie
in 1 dargestellt, wird das durch den ersten optischen
Pfad C1 hindurch laufende und von dem Beugungsgitter 6 spektral
aufgespaltete Licht mittels des ersten konkaven Spiegels 8a auf
das Photodetektor-Array 9 konvergiert und wird das durch
den zweiten optischen Pfad C2 hindurch laufende und von dem Beugungsgitter 6 spektral
aufgespaltete Licht in ähnlicher
Weise mittels des zweiten konkaven Spiegels 8b auf das
Photodetektor-Array 9 konvergiert.
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Nebenbei
bemerkt, da bei der in dem US-Patent
US 6,498,872 B2 offenbarten Technik ein ursprünglicher
S-polarisierter Lichtstrahl und ein aus einem P-polarisierten Lichtstrahl
konvertierter S-polarisierter Lichtstrahl parallel zueinander auf
ein Beugungsgitter gelenkt werden, werden in jedem Wellenlängenbereich
der Lichtstrahl des von dem Beugungsgitter spektral aufgespalteten
ursprünglichen S-polarisierten
Lichts und der Lichtstrahl des von dem Beugungsgitter spektral aufgespalteten
früheren
P-polarisierten Lichts parallel zueinander, so dass es zum Konvergieren
dieser zwei Lichtstrahlen auf dem selben Bereich der Eingangs-Oberfläche des
Photodetektor-Arrays notwendig ist, einen großen konkaven Spiegel oder zwei
kleine außeraxiale konkave
Spiegel anzuordnen. Sowohl der große konkave Spiegel als auch
die außeraxialen
konkaven Spiegel sind sehr teuer.
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Obwohl
in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser
Erfindung zwei konkave Spiegel verwendet werden, da der durch den
ersten optischen Pfad C1 hindurch laufende und von dem Beugungsgitter 6 spektral
aufgespaltete Lichtstrahl und der durch den zweiten optischen Pfad
C2 hindurch laufende und von dem Beugungsgitter 6 spektral
aufgespaltete Lichtstrahl einen vorgegebenen Winkel, insbesondere
8°, aufweisen
und einen ähnlichen
Winkel bei ihrem Einfall auf das Photodetektor-Array einschließen, ist es andererseits nicht
notwendig, die konkaven Spiegel außeraxial anzuordnen, so dass
es möglich
wird, den Anstieg bei den Herstellungskosten zu unterdrücken.
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Für das Photodetektor-Array 9 werden
32 Photomultiplier-Röhren (PMR)
verwendet. Diese Mehrzahl von PMRs ist in derjenigen Richtung angeordnet,
in der die Mehrzahl von Gitterstegen 6a des Beugungsgitters 6 eine
Linie bilden, in anderen Worten: in Dispersionsrichtung, d.h. der
Richtung der spektralen Aufspaltung. Da in dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung ein Photodetektor-Array 9 mit einer Mehrzahl
von Photodetektoren als Photosensor in dieser Weise verwendet wird,
kann das Licht einer Mehrzahl von Wellenlängenbereichen zur selben Zeit
detektiert werden. Indem in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
der Beugungsgitter-Tisch 7, auf dem das Beugungsgitter 6 platziert
ist, rotiert wird, können
der Einfallswinkel θ und
der Austrittswinkel φ des
Lichts relativ zu dem Beugungsgitter 6 variiert werden,
so dass der von dem Photodetektor-Array 9 detektierbare
Wellenlängenbereich
variiert werden kann.
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Wie
oben beschrieben, da bei dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
die Polarisationsrichtung des auf das Beugungsgitter 6 einfallenden
Lichts unter Verwendung des polarisierenden Strahlteilerplatte 3 und
der λ/2-Platte 5 vom
Fresnelschen Rhombus-Typ ausgerichtet werden, können durch die Polarisationsabhängigkeit
des Beugungsgitters 6 verursachte Probleme vermieden werden. Da
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung jeder von der polarisierenden Strahlteilerplatte 3 auf
die optischen Wege C1, C2 aufgeteilte Lichtstrahl auf das selbe
Gebiet auf der Eingangs-Oberfläche
des Beugungsgitters 6 einfällt, wird es außerdem möglich zu
verhindern, dass das Beugungsgitter 6 groß wird,
so dass es möglich
wird, die Zunahme bei der Größe und bei
den Kosten des Spektroskops zu verhindern.
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung wird die polarisierende Strahlteilerplatte 3 mit
einer planparallelen Plattenform, wie in 3 gezeigt,
als ein Polarisations-Aufteil-Element
verwendet. Ein Teil des von der Einfalls-Oberfläche 3a der polarisierenden
Strahlteilerplatte 3 einfallenden Lichts wird von der Austritts-Oberfläche 3b reflektiert und
dieses reflektierte Licht L2 verlässt die polarisierende Strahlteilerplatte 3 nach
einer weiteren Reflexion an der Einfalls-Oberfläche 3a. Der Rest des
von der Einfalls-Oberfläche 3a der
polarisierenden Strahlteilerplatte 3 einfallenden Lichts
verlässt
die polarisierende Strahlteilerplatte 3 durch die Austritts-Oberfläche 3b unabgelenkt,
d.h. ohne Reflexion, als unabgelenktes Licht L1.
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Da
das reflektierte Licht L2 bezüglich
des unabgelenkten Lichts L1 verschoben ist, ist es möglich zu
verhindern, dass das reflektierte Licht L2 ein Geisterbild auf der
Einfalls-Oberfläche des
Photodetektor-Arrays 9 erzeugt. Auch wenn das von der Eingangs-Oberfläche des
Photodetektor-Arrays 9 reflektierte Licht mittels Reflektierens
an den konkaven Spiegeln 8a bzw. 8b und der Oberfläche des
Beugungsgitters 6 zurückkehrt,
wird außerdem
das zurückkehrende
Licht nicht erneut in die Richtung auf das Photodetektor-Array 9 hin
reflektiert, so dass das Ausbilden eines Geisterbildes verhindert
wird. Da insbesondere in dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
der Einfallswinkel in die polarisierende Strahlteilerplatte 3 auf
60° und
somit größer als
45° festgelegt
wurde, wird die oben erwähnte
Größe der Verschiebung
des reflektierten Lichts L2 bezogen auf das unabgelenkte Licht L1
größer, so
dass es möglich
wird, effektiv ein Geisterbild zu verhindern.
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Um
ein Geisterbild zu verhindern, kann in einem zweiten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung statt der stark geneigten polarisierenden Strahlteilerplatte 3,
die die Form einer planparallelen Platte hat, ein polarisierender
Strahlteilerwürfel 3A verwendet werden,
wie in 4 gezeigt ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung sind Komponenten, die in gleicher weise in dem
ersten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung verwendet werden, mit gleichen Bezugszeichen versehen
und werden nicht erneut beschrieben. In dem zweiten Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung wird insbesondere ein polarisierende Strahlteilerwürfel 3A verwendet,
der eine Reflexions-Oberfläche 3c in
einem Winkel von 45° bezogen
auf eine Austritts-Oberfläche 3b aufweist und
dessen Einfalls-Oberfläche 3a bezogen
auf die Austritts-Oberfläche 3b leicht geneigt
ist. Wenn der polarisierende Strahlteilerwürfel 3A derart angeordnet
ist, dass der Einfallswinkel auf die Reflexions-Oberfläche 3c 45° beträgt, und
ein ebener Spiegel 4 zum Verändern der Richtung des von
der Reflexions-Oberfläche 3c reflektierten
Lichts derart angeordnet ist, dass der Einfallswinkel des von dem
polarisierenden Strahlteilerwürfel 3A reflektierten
Lichts 41° beträgt, dann
schließen
das unabgelenkte Licht L1, das sich direkt durch den polarisierenden Strahlteilerwürfel 3A hindurch
ausbreitet, und das von dem ebenen Spiegel 4 reflektierte
Licht L2 in Analogie zu dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung
einen Winkel von 8° ein.
Da die Einfalls-Oberfläche 3a bezüglich der
Austritts-Oberfläche 3b auf
diese Weise geneigt ist, auch wenn ein Teil des von der Einfalls-Oberfläche 3a des
polarisierenden Strahlteilerwürfels 3A einfallenden
Lichts von der Austritts-Oberfläche 3b reflektiert
wird und das reflektierte Licht L2 nach einer Reflexion an der Einfalls-Oberfläche 3a den
polarisierenden Strahlteilerwürfel 3A an
der Austritts-Oberfläche 3b verlässt, schließt das reflektierte
Licht L2 mit dem unabgelenkten Licht L1 einen gewissen Winkel ein,
so dass es möglich
wird zu verhindern, dass ein Geisterbild auf der Eingangs-Oberfläche des
Photodetektor-Arrays 9 gebildet wird. Auch wenn das von
der Eingangs-Oberfläche
des Photodetektor-Arrays 9 reflektierte
Licht mittels Reflexion an dem konkaven Spiegel 8a bzw. 8b und
an der Oberfläche
des Beugungsgitters 6 zurückkehrt, wird außerdem das
zurückkehrende
Licht nicht erneut in die Richtung auf das Photodetektor-Array 9 hin
reflektiert, so dass das Ausbilden eines Geisterbildes verhindert
werden kann.
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Obwohl
bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung der ebene Spiegel 4 in dem zweiten optischen Pfad
C2 derart angeordnet ist, dass die sich durch die jeweiligen optischen
Pfade C1, C2 hindurch ausbreitenden Lichtstrahlen auf den selben
Bereich des Beugungsgitters 6 einfallen, muss erwähnt werden,
dass der ebene Spiegel 4 alternativ auch in dem ersten
optischen Pfad C1 angeordnet werden kann. Obwohl bei den oben beschriebenen
Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung das von dem Beugungsgitter 6 spektral zerlegte
Licht von den konkaven Spiegeln 8a, 8b gesammelt
und von dem Photodetektor-Array 9 detektiert wird, kann
statt dem Photodetektor-Array 9 ein Ausgangsschlitz zum
Ausgeben von Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich vorgesehen und angeordnet
sein. Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen dieser Erfindung
der Einfallswinkel von Licht, welches sich durch den ersten optischen
Pfad C1 hindurch zu dem Beugungsgitter 6 ausbreitet, und
der Einfallswinkel von Licht, welches sich durch den zweiten optischen
Pfad C2 hindurch zu dem Beugungsgitter 6 ausbreitet, in
der Ebene senkrecht zu den Gitterstegen 6a des Beugungsgitters 6 im
Wesentlichen die selben sind und in der die Gitterstege 6a enthaltenden
Ebene verschieden sind, ist es möglich,
diese Winkel derart einzustellen, dass sie in der Ebene senkrecht
zu den Gitterstegen 6a des Beugungsgitters 6 verschieden sind
und in der die Gitterstege 6a enthaltenden Ebene im Wesentlichen
die selben sind. In anderen Worten ist es möglich, die horizontale und
vertikale Beziehung des Beugungsgitters 6 gemäß den beiden oben
dargestellten Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung umzudrehen. Da jedoch bei dem Beugungsgitter 6 ein
Unterschied in der Sekundär-Dispersion vermieden
werden kann, ist der in den beiden oben genannten Ausführungsbeispielen
dieser Erfindung vorgeschlagene Aufbau des Beugungsgitters 6 besser.
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Mit
Bezug auf 5 wird nun ein erfindungsgemäßes Mikrospektroskop
mit dem Spektroskop gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung beschrieben.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist das erfindungsgemäße Mikrospektroskop
ein konfokales Mikroskop 20, ein Spektroskop 10 zum
spektralen Zerlegen des von dem konfokalen Mikroskop 20 ausgegebenen
Lichts eines Präparats
S und zum Detektieren der Lichtintensität in jedem Wellenlängenbereich
und eine Steuerung 30 zum Verarbeiten von Bilddaten ausgegeben
von dem Spektroskop 10 und zum Veranlassen, dass eine Anzeige 31 die
Bilddaten anzeigt, während
sie die Bewegung des konfokalen Mikroskops 20 steuert.
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Das
konfokale Mikroskop 20 weist eine Laserlichtquelle 21,
eine optische Faser 22 zum Führen von Licht ausgegeben von
der Laserlichtquelle 21 an eine vorgegebene Position, eine
Kollimatorlinse 23 zum Kollimieren von Laserlicht ausgegeben
von der Laserlichtquelle 21, einen dichroitischen Spiegel 24 zum
Empfangen des von der Kollimatorlinse 23 kollimierten Laserlichts,
einen Galvano-Spiegel 25 zum zweidimensionalen Abtasten
des Präparats
S mittels des von dem dichroitischen Spiegel 24 reflektierten Laserlichts,
eine Objektivlinse 26 zum Konvergieren des Lichts des Galvano-Spiegels 25 auf
eine Beobachtungsoberfläche
des Präparats
S, eine an einer zu der Beobachtungsoberfläche des Präparats S optisch konjugierten
Position angeordnete Pinhole-Platte 29 und eine Sammellinse 28 zum
Sammeln von Laserlicht, welches von der Beobachtungsoberfläche des
Präparats
S reflektiert wurde und auf dem Pinhole der Pinhole-Platte 29 konvergiert.
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Das
Präparat
S ist auf einem mindestens in zwei Dimensionen verschiebbaren Objektträger-Tisch 27 angeordnet,
um das Präparat
S oder eine besonders interessante Stelle des Präparats S vor einem Abtasten
mittels des Galvano-Spiegels 25 an die korrekte fokale
Position zu verschieben und dort einzujustieren.
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Ein
optisches Beleuchtungssystem des konfokalen Mikroskops 20 weist
die Laserlichtquelle 21, die optische Faser 22,
die Kollimatorlinse 23, den dichroitischen Spiegel 24,
den Galvano-Spiegel 25 und die Objektivlinse 26 auf.
Ein optisches Beobachtungssystem des konfokalen Mikroskops 20 weist
die Objektivlinse 26, den Galvano-Spiegel 25,
den dichroitischen Spiegel 24 und die Sammellinse 28 auf. Dementsprechend
sind die Objektivlinse 26, der Galvano-Spiegel 25 und der dichroitische
Spiegel 24 gemeinsam in dem optischen Beleuchtungssystem
und in dem optischen Beobachtungssystem vorhanden.
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Das
durch das Pinhole hindurch laufende Licht des konfokalen Mikroskops 20 wird
dem Spektroskop 10 durch die Eingangsfaser 1 des
Spektroskops 10 hindurch zugeführt. In dem Spektroskop 10 wird
das Licht des konfokalen Mikroskops 20 mittels des Beugungsgitters 6 spektral
aufgespaltet und die Lichtintensität eines jeden Wellenlängenbereichs wird
mittels des Photodetektor-Arrays 9 detektiert.
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Das
Photodetektor-Array 9 sendet die den Lichtintensitäten entsprechenden
detektierten Daten an die Steuerung 30. Die Steuerung 30 führt mit
diesen Daten eine vorgegebene Bildverarbeitung aus und sendet die
verarbeiteten Daten als Bilddaten an die Anzeige 31 zur
entsprechenden Darstellung. Außerdem
steuert die Steuerung 30 den Betrieb der Laserlichtquelle 21 und
das optische Abtasten des Präparats
S, indem die Steuerung 30 den Galvano-Spiegel 25 in geeigneter
Weise ansteuert und dabei den Fokus des mittels der Objektivlinse 26 fokussierten Laserlichtstrahls
der Laserlichtquelle 21 auf dem Präparat S zwei-dimensional parallel
zur abzutastenden Oberfläche
des Präparats
S verschiebt.
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Obwohl
bei diesem Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung das durch das Pinhole des konfokalen Mikroskops 20 hindurch
laufende Licht dem Spektroskop 10 zugeführt wird, ist es möglich, einen
als Pinhole dienenden Schlitz an der Position des Pinholes anzuordnen,
das Spektroskop 10 direkt an den Schlitz anzuschließen und
den Schlitz als einen Eingangs-Anschluss
des Spektroskops 10 zu verwenden. In anderen Worten, es
ist möglich,
den Eingangs-Abschnitt des Spektroskops 10 als Pinhole des
konfokalen Mikroskops 20 zu verwenden. Wenn, wie oben beschrieben,
das Spektroskop 10 auf diese Weise direkt an das konfokale
Mikroskop 20 angeschlossen ist, ist der Verdienst um die
Miniaturisierung des Spektroskops 10 von entscheidender
Wichtigkeit.
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Wie
oben beschrieben, ermöglicht
diese Erfindung die Bereitstellung eines Spektroskops, welches im
Wesentlichen zwei Lichtstrahlen, die sich durch entsprechende, mittels
eines Polarisations-Teilerelements getrennte optische Pfade hindurch
ausgebreitet haben, auf der Oberfläche eines spektroskopischen
Elements mittels eines Strahlablenkers zu überlagern, um ein Vergrößern des
spektroskopischen Elements zu vermeiden, was in einem Verringern
der Dimension und der Kosten des erfindungsgemäßen Mikrospektroskops resultiert.
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Zusätzliche
Vorteile und Modifikationen dieser Erfindung sind dem Fachmann offensichtlich.
Daher soll der breiteste Schutzumfang dieser Erfindung nicht auf
hierin beschriebene und dargestellte spezielle Details und beispielhafte
Vorrichtungen beschränkt
sein. Es können
daher zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich
der zugrunde liegenden Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert
wird, zu verlassen.