-
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Strahlaufweitung, besonders geeignet zur Aufweitung von Laserlicht in ein Lichtband für den Einsatz als Anregungslicht in der Ultramikroskopie. Die Anordnung enthält zumindest zwei Kondensorlinsen, ein dazwischen angeordnetes meso-optisches Element und nachgeschaltet zwei Zylinderlinsen sowie bevorzugt zusätzlich eine weiche Aperturblende.
-
Zu einem Lichtband aufgeweitetes Laserlicht wird in der so genannten Ultramikroskopie eingesetzt, vor allem um transparent gemachte biologische Proben möglichst in definierten Schichten mit Anregungslicht zu beleuchten, um Fluoreszenz anzuregen. Die lokal nur in der Ebene des Lichtbandes angeregte Fluoreszenz wird dabei, vorzugsweise bildgebend, in einem Beobachtungsstrahlengang des Mikroskops, der vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der von dem Lichtband des Anregungslichts aufgespannten Ebene verläuft, registriert. Auf diese Weise kann eine Probe Schicht für Schicht analysiert und schließlich eine dreidimensionale Rekonstruktion der Gesamtprobe aus den Fluoreszenzbildern der Schichten erhalten werden.
-
Die Strahlaufweitung, besonders von Laserlicht, zur Erzeugung eines flachen Lichtbandes (light sheet) an sich ist bekannt. Üblicherweise werden dazu zylindrische Linsen eingesetzt, die in verschiedenen Ebenen zur optischen Achse unterschiedlich brechen. Alternativ werden Phasenplatten oder holographische Elemente verwendet.
-
Aus der
DE 10 2007 015 063 A1 ist eine optische Anordnung zum Erzeugen eines Lichtblattes bekannt, worin ein Bündel parallelen Lichts erzeugt und dieses dann mittels eines asphärischen optischen Elementes in die Form eines Lichtblattes umgewandelt wird. Als asphärisches optisches Element kommt beispielsweise eine Powell-Linse in Betracht. Aus der
US 2006/0158624 A1 ist eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Strahls für die mikroskopische Beleuchtung mit ringförmigem Intensitätsprofil und gerichteter Polarisation bekannt. Aus der
US 2008/0225256 A1 ist eine vergleichbare optische Anordnung bekannt. Diese optischen Anordnungen enthalten Kondensorlinsen, ein Axicon-System und Zylinderlinsen.
-
Problematisch bei bekannten Verfahren der Lichtbandgeneration sind vor allem die geringe Raleigh-Länge sowie die inhomogene Intensitätsverteilung. Dies wirkt sich nachteilig auf das Ergebnis der mikroskopischen Untersuchung aus; die Fluoreszenz wird nicht an jedem Ort der Probe mit gleicher Intensität und Trennschärfe angeregt. Es ist wünschenswert, dass die Intensitätsverteilung möglichst homogen und die Raleigh-Länge möglichst groß ist. Diese Eigenschaften sollen außerdem ohne signifikante Abschwächung der Lichtintensität bei der Strahlaufweitung erreichbar sein. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine verbesserte Anordnung zur Strahlaufweitung, besonders zur Erzeugung eines Lichtbandes vornehmlich aus einem Laserstrahl bereitzustellen, um die vorgenannten Nachteile zu überwinden.
-
Die Erfindung löst dieses ihr zugrundeliegende technische Problem vollständig durch Bereitstellung einer neuartigen optischen Anordnung zur Strahlaufweitung gemäß Anspruch 1, besonders einer Anordnung, die in Strahlrichtung von der Lichtquelle zum Objekt und entlang einer gemeinsamen optischen Achse in Reihe angeordnete voneinander beabstandete optische Elemente enthält, und zwar, als Teile einer ersten optischen Baugruppe, zwei zueinander bevorzugt parallel angeordnete Kondensorlinsen und ein zwischen diesen beiden Kondensorlinsen angeordnetes Element zur Strahlformung. Dieses ist ein meso-optisches Element. Als Teile einer nachgeschalteten zweiten optischen Baugruppe sind zwei zueinander bevorzugt parallel angeordnete Zylinderlinsen vorgesehen.
-
Die Erfindung sieht vor, ein meso-optisches Element zur Strahlformung/Strahlaufweitung einzusetzen. Dies ist eine Powell-Linse und/oder eine axiconische Linse (Axicon). Das meso-optische Element ist erfindungsgemäß zwischen den Kondensorlinsen angeordnet.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt, besonders in Verbindung mit den beiden nachgeschalteten Zylinderlinsen der zweiten Baugruppe, eine verbesserte und präzisere Strahlaufweitung zu einem Lichtband. Das so erhältliche Lichtband weist vor allem auch eine gleichmäßige Intensitätsverteilung der Strahlungsenergie auf. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass dessen Raleigh Länge gegenüber einem mittels bekannter Lichtbandgeneratoren erzeugten Lichtband wesentlich vergrößert ist. Bei Verwendung von kohärentem Licht, besonders Laserlicht der Wellenlänge von etwa 450 bis 600 nm, weist das Lichtband eine Raleigh-Länge von bis zu 800 μm, besonders von 400 bis 800 μm, sowie eine Dicke von maximal 10 μm, besonders von 2 bis 10 μm, auf.
-
Gemäß der Erfindung dient die erste Kondensorlinse als Teil einer ersten Baugruppe dazu, ein sphärisches Strahlprofil zu erzeugen, wobei ein Eingangsstrahl mit insbesondere Gauss-verteiltem Strahlprofil in ein sphärisches Strahlprofil mit nahezu gleichförmiger Intensitätsverteilung (flat top-Profil) umgewandelt wird. Das meso-optische Element gemäß der Erfindung ist speziell ausgebildet, diesen Lichtstrahl in ein im Wesentlichen elliptisches Strahlprofil mit gleichförmiger Intensitätsverteilung aufzuweiten. Die nachgeschaltete zweite Kondensorlinse der ersten Baugruppe dient primär zur Phasenkorrektur. In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die primären konvexen Flächen der beiden Kondensorlinsen zueinander. In einer bevorzugten Variante weist die primäre konisch-konvexe Fläche des meso-optischen Elements zu der ersten Kondensorlinse.
-
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter einer „primären” konisch-konvexen oder konvexen Fläche oder Seite einer Linse diejenige lichtbrechende Fläche verstanden, die, in Richtung der optischen Achse, die größere Sphärizität und/oder Konizität, das heißt besonders den kleinsten positiven Krümmungsradius im Vergleich zu der ihr gegenüberliegenden Seite der Linse aufweist. Die gegenüberliegende Seite der Linse kann demgemäß entweder ebenfalls konvex mit größerem positiven Krümmungsradius, das heißt flacher, ausgeführt sein. Sie kann in alternativer Ausgestaltung auch konkav mit negativem Krümmungsradius ausgeführt sein. Die Kondensorlinsen sind bevorzugt als plano-konvexe und das meso-optische Element bevorzugt als plano-konische beziehungsweise plano-konisch-konvexe Linsen ausgebildet.
-
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter einem „meso-optischen Element” eine Linse verstanden, die aufgrund ihrer Dimensionierung und/oder Materialeigenschaften im Vergleich zu einer herkömmlichen optischen Linse keine im Sinne der klassischen Optik abbildenden, bildgebenden Eigenschaften aufweist. Das meso-optische Element erzeugt keine sphärische, beispielsweise in einem einzigen Punkt konvergierende, sondern vielmehr eine konische Wellenfront. Ein Punkt im Objektraum wird demgemäß im Bildraum in ein eindimensionales „Array” von Punkten abgebildet (Linienfokus); es besteht keine unmittelbare Korrespondenz zwischen einem Objektpunkt im Objektraum und einem Bildpunkt im Bildraum.
-
Eine erste Ausgestaltung des meso-optischen Elements gemäß der Erfindung ist die so genannte „Powell-Linse”, eine zylindrische asphärische Linse mit einem hyperbolischen Oberflächenprofil auf der primären konisch-konvexen Seite der Linse. Die geometrischen Zusammenhänge der Powell-Linse sind in dem Patent
US 4,826,299 A beschrieben: Die Powell-Linse wird verstanden als eine Kombination aus einer Zylinderlinse und einem Prisma. Die primäre konvexe Oberfläche weist dabei einen Apex auf, dessen Form, in einem kartesischen Koordinatensystem in den Raum Richtung x, y und z entlang der optischen Achse, der folgenden Gleichung genügt:
z1(y) = cy2/(1 + (1–)1 + Q)c2y2)1/2 wobei Faktor c der Krümmung (inverser Krümmungsradius) an dem Apex entspricht und Q die so genannte konische Konstante ist, wobei besonders Q weniger als –1 beträgt und das Produkt Q·c bevorzugt von 0,25 bis 50 [mm
–1] beträgt.
-
In einer besonderen Ausgestaltung des meso-optischen Elements oder der asphärischen Zylinderlinse gehorcht deren primäre konvexe Oberfläche der Gleichung z1(y), der additiv eine Korrekturfunktion z2(y) für asphärische Abweichungen höherer Ordnung überlagert wird z(y) = z1(y) + z2(y): z2(y) = Summe von (aiyi); mit i = 2n + 2 (n ∊ N).
-
Die Powell-Linse ist gemäß der Erfindung bevorzugt derart ausgestaltet, dass ein durch die erste Kondensorlinse durchtretender Strahl mit einem Strahldurchmesser von etwa 1 bis 2 mm das meso-optische Element in einem Spreizungswinkel von 7° oder weniger verlässt. Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die konkrete Dimensionierung erfolgt in Anpassung an die Dimensionen und Anforderungen des zu untersuchenden Objekts.
-
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das meso-optische Element eine axiconische Linse, ein so genanntes Axicon. Darunter wird ein rotationssymmetrisches Prisma verstanden, das, im einfachsten Fall, eine plane Seite (plano) und eine konische, das heißt konisch-konvexe, Seite aufweist, die zur optischen Achse rotationssymmetrisch ist. Die Strahlbrechung wird primär durch die konisch-konvexe Oberfläche bestimmt. Ein meso-optisches Axicon als solches ist bekannt. Bevorzugt weist das Axicon einen Apex-Winkel β von weniger als 160° auf. Der Durchmesser beträgt beispielsweise 25 mm bei einem Krümmungsradius von ca. 0,6 mm und einer Dicke dB von etwa 10 mm. Die Erfindung ist nicht auf dieses konkrete Beispiel beschränkt. Die konkrete Dimensionierung erfolgt in Anpassung an die Dimensionen und Anforderungen des zu untersuchenden Objekts.
-
Die Erfindung sieht vor, dass das elliptische Strahlprofil mit gleichförmiger Intensitätsverteilung, das beim Durchlaufen des Lichtstrahls durch die erste Baugruppe erhalten wird, in der zweiten optischen Baugruppe zu einem dünnen flachen Lichtband mit hoher Raleigh Länge fokussiert wird. Dies erfolgt durch die beiden sphärischen oder vorzugsweise asphärischen Zylinderlinsen. Besonders ist zusätzlich zwischen den beiden Zylinderlinsen eine Aperturblende angeordnet, die signifikant zur Verflachung des Profils und ebenfalls zur Vergleichmäßigung der Intensitätsverteilung beitragen kann. Bevorzugt ist diese als eine weiche Aperturblende ausgebildet. Weiche Aperturblenden sind an sich bekannt. Sie weisen komplex strukturierte Blendenkanten auf, um eine graduelle Abschwächung des Strahlprofils zu erreichen und Beugung an den harten Blendenkanten zu vermeiden oder zu unterdrücken.
-
Die Erfindung betrifft auch einen Lichtbandgenerator zur Erzeugung eines Lichtbandes, besonders zum Einsatz als Anregungslichtquelle in der Ultramikroskopie. Der Lichtbandgenerator enthält erfindungsgemäß zumindest neben der erfindungsgemäßen hier charakterisierten optischen Anordnung zur Strahlaufweitung zusätzlich eine Lichtquelle für räumlich partiell kohärentes Licht, besonders eine Laserlichtquelle. Die erfindungsgemäß optische Anordnung innerhalb des Lichtbandgenerators ist so ausgebildet und mit der Lichtquelle verbunden, dass ein von der Lichtquelle erzeugter Lichtstrahl entlang der optischen Achse der optischen Anordnung in die erste Baugruppe eintreten und die zweite Baugruppe in Form eines Lichtbandes verlassen kann.
-
Zur konkreten Umsetzung der Lichtbandgeneration ist beispielsweise und bevorzugt vorgesehen, eine Laserlichtquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls einer Wellenlänge von etwa 450 bis 600 nm einzusetzen. Der Laserstrahl trifft in der optischen Achse der Anordnung auf die, bevorzugt plane, erste Oberfläche der ersten Kondensorlinse der ersten optischen Baugruppe.
-
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Erzeugung eines im Wesentlichen uniformen, homogenen Lichtbandes aus einem Lichtstahl, welches unter Verwendung der optischen Anordnung zur Strahlaufweitung gemäß der Erfindung durchgeführt wird. In einem ersten Schritt wird ein kohärenter Lichtstrahl, bevorzugt mit im Wesentlichen gaussförmigem Strahlprofil, erzeugt. Besonders erfolgt dies durch eine Laserlichtquelle. In einem zweiten Schritt wird der Lichtstrahl so durch die optische Anordnung gemäß der Erfindung geleitet, dass dieser in der optischen Anordnung in ein Lichtband geformt wird und ein zu einem Lichtband aufgeweitet aus der optischen Anordnung austritt.
-
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Anordnung zur Vergrößerung der Raleigh-Länge eines Lichtbandes. Weiterer Gegenstand ist die Verwendung der optischen Anordnung zur Verminderung des Verlusts der Strahlungsleistung bei der optischen Aufweitung des Lichtstrahls zu einem Lichtband.
-
Die Erfindung wird durch die Figur näher beschrieben, ohne dass diese beschränkend zu verstehen ist. Die Figur zeigt eine Ausgestaltung der optischen Anordnung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung. Entlang einer optischen Achse 500 sind innerhalb einer ersten Baugruppe 100 eine erste Kondensorlinse (A) 110 und eine zweite Kondensorlinse (C) 130 hintereinander beabstandet angeordnet. Diese sind in der dargestellten Ausführung jeweils mit der primären konvexen Seite einander zugewandt. Bevorzugt sind diese zusätzlich mit einer antireflektierenden Schicht, welche auf die Wellenlänge des aufzuweitenden Strahls angepasst ist, vergütet. Dazwischen befindet sich erfindungsgemäß ein meso-optisches Element (B) 120. Dieses ist in der dargestellten Ausführung derart in der ersten Baugruppe angeordnet, dass seine primäre konisch-konvexe Fläche in Richtung der ersten Kondensorlinse (C) 120 weist.
-
In einer zweiten Baugruppe 200 der erfindungsgemäßen Anordnung sind zumindest zwei Zylinderlinsen (D) 210 und (F) 220 hintereinander beabstandet, parallel zueinander angeordnet. In der dargestellten Ausführung sind die Zylinderlinsen so angeordnet, dass ihre beiden primären konvexen Flächen in Richtung der Laserlichtquelle weisen. Zwischen den beiden Zylinderlinsen (D) und (F) 210, 230 ist eine weiche Aperturblende (E) 220 angeordnet.
-
Zur Dimensionierung der dargestellten optischen Anordnung ist vorgesehen, dass der Abstand d1 zwischen erster Kondensorlinse 110 und dem meso-optischen Element (B) 120 beispielsweise gleich der primären Brennweite fA der ersten Kondensorlinse (A) 110 ist (d1 = fA). Der Abstand d2 zwischen dem Fokalpunkt des meso-optischen Elements (B) 120 und der zweiten Kondensorlinse (C) 130 entspricht, im Falle der Ausgestaltung als Powell-Linse, beispielsweise der doppelten primären Brennweite fC der zweiten Kondensorlinse 130 (d2 = 2fC); im Falle der Ausgestaltung als Axicon entspricht der Abstand d2 zwischen plano-Fläche des Axicons und der primären konvexen Fläche der Kondensorlinse (C) 130, beispielsweise dem √3 fachen der primären Brennweite fC (d2 = Der Abstand zwischen der ersten Baugruppe 100 und der zweiten Baugruppe 200, das heißt besonders der Abstand d3 zwischen der hinteren Fläche der zweiten Kondensorlinse (C) 130 und der ersten in der zweiten optischen Baugruppe 200 angeordneten Zylinderlinse (D) 210 entspricht beispielsweise der Summe der Brennweite f'C der zweiten Kondensorlinse (C) 130 der ersten Baugruppe und der Brennweite fD der ersten Zylinderlinse (D) 210 der zweiten Baugruppe (d3 = f'C + fD). Dabei ist f'C die Brennweite der Linse (C) auf der Bildseite und fD die Brennweite auf der Objektseite der ersten planokonvexen Zylinderlinse (D). Der Abstand d4 zwischen der ersten Zylinderlinse (D) 210 und der zweiten Zylinderlinse (F) 230 entspricht beispielsweise dem √2 fachen der Brennweite fD der Zylinderlinse (F) 210 (d4 = √2fD). Beispielsweise sind die Brennweiten fC, fA der beiden Kondensorlinsen (A) und (C) 110, 130 der ersten Baugruppe 100 gleich groß (fC = fA). Beispielsweise sind die Brennweiten fF, fD der beiden in der optischen Baugruppe 200 angeordneten Zylinderlinsen (D) und (F) 210, 230 gleich groß (fF = fD).
-
Zur Verwendung in der Ultramikroskopie wird ein Strahl, der in der optimalen Achse verläuft, auf das zu untersuchende Objekt 400 aufgeweitet und fokussiert. Beispielsweise entspricht der Abstand d5 zwischen der Probe (G) 400 und der zweiten Baugruppe 200, das heißt der zweiten Zylinderlinse (F) 230, der Brennweite der zweiten Zylinderlinse (F) 230 fF (d5 = fF).
