DE102021212619A1 - Vorrichtung zur Justage eines optischen Elements in einem Strahlengang - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Justage eines optischen Elements (6) in einem Strahlengang, bei der das optische Element (6) um eine erste Drehachse (I) und eine davon verschiedene zweite Drehachse (II) drehbar ist.Gekennzeichnet ist die Vorrichtung (1) dadurch, dass entweder um die optische Achse (oA) des Strahlengangs ein Träger (2) mit einer als Rollbahn (3) ausgebildeten Seitenfläche vorhanden ist, wobei sich die Rollbahn (3) in einer zur optischen Achse (oA) orthogonalen Ebene (E) erstreckt oder sich die Rollbahn (3) in einer zur optischen Achse (oA) parallelen Ebene (E) erstreckt und die zweite Drehachse (II) orthogonal zur optischen Achse (oA) verläuft. Es ist ein auf der Rollbahn (3) abrollendes Wälzelement (4) vorhanden, dessen Drehachse als erste Drehachse (I) orthogonal zur optischen Achse (oA) des Strahlengangs und parallel zur Ebene (E) der Rollbahn (3) verläuft. Das Wälzelement (4) weist entlang seiner ersten Drehachse (I) eine Welle (5) auf, an der das optische Element (6) angeordnet ist. Außerdem ist ein Antrieb (7) zum Erzeugen der Abrollbewegung vorhanden, wobei der Antrieb (7) an dem Wälzelement (4) und/oder dessen Welle (5) angreift. Für das Verhältnis r eines Radius RMder Rollbahn (3) und eines Radius Rw des Wälzelements (4) gilt: RM/Rw = r = k + δ, wobei k eine positive ganze Zahl und δ eine gebrochen rationale Zahl kleiner 1 ist.Außerdem betrifft die Erfindung ein Mikroskop (M) mit einer Vorrichtung (1).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Justage eines optischen Elements in einem Strahlengang gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
• Um in Strahlengängen optischer Anordnungen, beispielsweise in Beleuchtungsstrahlengängen von Mikroskopen, eine Beleuchtungsstrahlung in Hinblick zum Beispiel auf deren Profil, Divergenz respektive Konvergenz etc. einzustellen, wird die Beleuchtungsstrahlung geformt. Ein Teilaspekt der Strahlformung ist dabei, das Beleuchtungslicht bezüglich der optischen Achse des abbildenden Systems auf Position zu halten beziehungsweise wieder auf eine gewünschte Position zu bringen (Strahllage). Ein eventuell auftretender unerwünschter Ortsversatz soll also korrigiert werden.
• Für eine solche Korrektur können beispielsweise mindestens zwei Spiegel oder kippbare, planparallele Glasplatten im Strahlengang eingebracht sein, die vorzugsweise motorisiert und gesteuert bewegt werden können. Sind mindestens zwei Spiegel im Strahlengang vorhanden, wird der erste Spiegel zur Ortskorrektur und der in Richtung der Lichtausbreitung folgende zweite Spiegel zur Korrektur des vom ersten Spiegel eingeführten Winkelfehlers verwendet.
• Alternativ und platzsparender kann mindestens eine kippbare, insbesondere planparallele Glasplatte (im Folgendem auch als Wackelplatte bezeichnet), zur Ortsversatzkorrektur in den Strahlengang des Beleuchtungsstrahls eingefügt werden. Üblicherweise wird dabei je eine Glasplatte für die Korrektur in Richtung der x-Achse beziehungsweise in Richtung der y-Achse verwendet. Für die Angabe der Achsen wird nachfolgend ein kartesisches Koordinatensystem zu Grunde gelegt, dessen z-Achse entlang der optischen Achse des Strahlengangs gerichtet ist.
• Die Verwendung zweier einstellbarer Glasplatten erfordert zwei Antriebe, beispielsweise Motoren, um die Glasplatten gesteuert bewegen zu können. Damit verbunden ist ein großer Bedarf an Bauraum, um diese opto-mechanischen Komponenten unterbringen zu können. Ein Beispiel für eine derartige Korrekturvorrichtung ist aus der DE 10 2012 109 577 A1 bekannt. Mittels einer planparallelen Platte, deren Schrägstellung und Drehwinkellage eingestellt werden können, wird ein auftretender Strahlversatz ausgeglichen.
• Nachteilig an den Lösungen gemäß dem Stand der Technik ist ein aufwändiger Aufbau mit mehreren Antrieben und einem entsprechend hohem Platzbedarf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Justage eines optischen Elements in einem Strahlengang vorzuschlagen, mittels der die bekannten Nachteile verringert werden.
• Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Justage eines optischen Elements in einem Strahlengang gelöst, bei der das optische Element um eine erste Drehachse und eine davon verschiedene zweite Drehachse drehbar ist. Ein solcher Strahlengang kann der Strahlengang einer optischen Anordnung oder einer optischen Vorrichtung, beispielsweise eines Mikroskops, sein.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder i) um die optische Achse des Strahlengangs ein Träger mit einer als Rollbahn ausgebildeten Seitenfläche vorhanden ist, wobei sich die Rollbahn in einer zur optischen Achse orthogonalen Ebene erstreckt; oder ii) ein Träger mit einer als Rollbahn ausgebildeten Seitenfläche vorhanden ist, wobei sich die Rollbahn in einer zur optischen Achse parallelen Ebene erstreckt.
• Weiterhin ist ein auf der Rollbahn abrollendes Wälzelement vorhanden. Die als erste Drehachse fungierende Drehachse des Wälzelements verläuft orthogonal zur optischen Achse des Strahlengangs und im Wesentlichen parallel zur Ebene der Rollbahn. Dabei sind Winkel bis zu 45° zwischen erster Drehachse und Ebene der Rollbahn inbegriffen. Das Wälzelement weist entlang seiner Drehachse eine Welle auf, an deren der Rollbahn abgewandtem Ende das optische Element angeordnet ist. Das optische Element befindet sich im Strahlengang, sodass eine den Strahlengang entlanggeführte Strahlung durch Wirkung des optischen Elements beeinflusst werden kann. Während einer Abrollbewegung des Wälzelements wird das optische Element um die Drehachse des Wälzelements rotiert. Außerdem ist ein Antrieb zum Erzeugen der Abrollbewegung vorhanden. Dabei greift der Antrieb an dem Wälzelement und/oder dessen Welle an, sodass das Wälzelement auf der Rollbahn abgerollt wird beziehungsweise abgerollt werden kann.
• Unter einer Abrollbewegung beziehungsweise einem Abrollen insbesondere des Wälzelements auf der Rollbahn wird verstanden, dass die Rollbahn in Hinblick auf die Abrollbewegung stationär bleibt und sich das Wälzelement infolge der Abrollbewegung entlang der Rollbahn bewegt. Das angetriebene Wälzelement bewirkt daher keinen Antrieb beziehungsweise keine Bewegung der Rollbahn.
• Um eine Abrollbewegung des Wälzelements zu ermöglichen, ist dieses in der Alternative i), um die optische Achse und die dazu parallele zweite Drehachse schwenkbar. In der Alternative ii) ist das Wälzelement um eine orthogonal zur optischen Achse gerichtete Achse als zweite Drehachse schwenkbar.
• Der Kerngedanke der Erfindung liegt in der Ausgestaltung einer Vorrichtung, die als ein erheblich modifiziertes Kronenradgetriebe, Kegelradgetriebe oder Reibradgetriebe angesehen werden kann. Im Gegensatz zu diesem treiben sich aber die beteiligten technischen Bauteile, Träger mit Rollbahn einerseits und Wälzelement mit Welle und optischem Element andererseits, einander nicht an, sondern rollen lediglich aufeinander ab. Die Erfindung erlaubt es, mit nur einem Antrieb sowohl eine Winkellage der ersten Drehachse bezüglich der zweiten Drehachse, als auch eine Drehlage des optischen Elements in Bezug auf die erste Drehachse einzustellen.
• Es ist also mit der Erfindung möglich, relativ zur optischen Achse des Strahlengangs unterschiedliche Ausrichtungen des optischen Elements um zwei verschiedene Drehachsen einzustellen. Dabei ist lediglich ein Antrieb, insbesondere ein Motor, erforderlich, wodurch vorteilhaft ein geringer Bauraum benötigt und weniger technische Elemente untergebracht und angesteuert werden müssen, als dies im Stand der Technik der Fall ist.
• Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachfolgend auch von einer Drehlage des optischen Elements gesprochen. Damit sind zugleich die Drehlagen von Wälzelement und Welle inbegriffen. Im Rahmen der Beschreibung der Erfindung wird von einer Winkellage gesprochen, wenn die relative Ausrichtung der ersten Drehachse relativ zur optischen Achse des Strahlengangs beziehungsweise zum Koordinatensystem bezeichnet werden soll. So wird eine aktuelle Ausrichtung der ersten Drehachse relativ zum Koordinatensystem als Winkellage bezeichnet. Eine Winkellage des Wälzelements beziehungsweise dessen erster Drehachse kann verändert werden, wenn eine Rotation der ersten Drehachse um die optische Achse des Strahlengangs (Alternative i)) als zweite Drehachse beziehungsweise um eine zur optischen Achse orthogonale Achse (Alternative ii)) erfolgt.
• Eine Drehlage dagegen meint eine aktuelle Ausrichtung des optischen Elements in Bezug auf die erste Drehachse (Rotationswinkel), unabhängig von deren aktueller Winkellage.
• Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gilt für das Verhältnis r eines Radius R_M der Rollbahn und eines Radius R_W des Wälzelements: $${\text{R}}_{\text{M}}{\text{/R}}_{\text{W}}=\text{r}=\text{k}+\mathrm{\delta }$$

  

  , wobei k eine positive ganze Zahl und δ eine gebrochen rationale Zahl kleiner 1 ist.
• Ein Verhältnis r des Radius R_M zu R_W von k + δ bedeutet, dass das Wälzelement k-mal vollständig und einen Bruchteil δ einer Umdrehung um die erste Drehachse rotiert wird, wenn das Wälzelement die Rollbahn einmal vollständig (2π, 360°) zurücklegt. Im Ergebnis ist die Drehlage des Wälzelements und das daran befestigte optische Element nach einem Umlauf entlang der gesamten Rollbahn um einen Winkelbetrag verändert, der von δ abhängt. Nach einem vollständigen Umlauf des Wälzelements auf der Rollbahn überschreitet die dann erreichte Drehlage die Ausgangsdrehlage um den Betrag δ beziehungsweise um den dementsprechenden Winkel ΔΨw. Wird die entgegengesetzte Drehrichtung gewählt, wird die Ausgangsdrehlage ebenfalls nicht wieder erreicht. Allerdings ist aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtung die veränderte Drehlage mit einem Winkel -ΔΨW bewirkt, der - δ entspricht.
• Die Wahl des Bruchteils δ bestimmt daher die Schrittweite der einstellbaren Drehlage ausgehend von einer Ausgangsdrehlage des optischen Elements um die erste Drehachse. Eine erzielbare Schrittweite der Drehlage um die erste Drehachse bei voller 2π-Rotation um die zweite Drehachse kann daher mit $$\mathrm{\Delta }{\mathrm{\Psi }}_{\text{w}}=\mathrm{\delta }2\mathrm{\pi }$$

  

  angegeben werden.
• In einer weiteren Ausführung kann das optische Element beispielsweise um 180° um die zweite Drehachse geschwenkt werden. Die Änderung der Drehlage um die erste Drehachse beträgt dann effektiv δ/2 beziehungsweise δ π. Ein solches Vorgehen ist dann möglich, wenn das optische Element keine Vorzugsrichtung aufweist. So ist beispielsweise die optische Wirkung einer planparallelen Glasplatte unabhängig davon, ob ein Strahlenbündel auf eine erste Seitenfläche der Glasplatte auftrifft und die Glasplatte an der zweiten Seitenfläche verlässt, oder umgekehrt. Weitere Beispiele für derartige optische Elemente können Gitter, Schlitzblenden und Filter sein.
• In weiteren Verwendungen kann das optische Element unterschiedliche optische Wirkungen aufweisen, je nachdem auf welcher der Seitenflächen eine Strahlung ein- beziehungsweise austritt. In einem solchen Fall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu genutzt werden, unterschiedliche Wirkungen des optischen Elements zur Verfügung zu stellen, indem dieses mit der entsprechend gewünschten Orientierung in dem Strahlengang platziert wird.
• Um eine präzise Korrektur im Strahlengang zu ermöglichen, sind an die Fertigung der Rollbahn und des Wälzelements hohe Anforderungen an die einzuhaltenden Genauigkeiten und Toleranzen zu stellen.
• Es ist möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung manuell zu justieren beziehungsweise zu regeln. Vorteilhaft ist aber der Antrieb mit einer Steuerung verbunden. Die mittels der Steuerung, beispielsweise in Form eines Rechners, generierten Steuerbefehle bewirken bei ihrer Umsetzung mittels des Antriebs eine gesteuerte Abrollbewegung des Wälzelements auf der Rollbahn beziehungsweise ein Beibehalten einer gewünschten Position in Hinblick auf die aktuelle Winkellage und/oder Drehlage der ersten Drehachse.
• Der Antrieb kann beispielsweise ein gehäuseloser Servomotor sein. Der Antrieb kann ganz oder teilweise um die optische Achse umgreifend ausgebildet sein, so dass der Strahlengang durch den zum Beispiel ringförmigen Antrieb hindurch verläuft.
• Die Gestaltung des Trägers mit der Rollbahn und des Wälzelements können verschieden sein. So kann die Rollbahn eine ebene Oberfläche aufweisen. Das Wälzelement kann in Form eines Rades ausgebildet sein. Rollbahn und /oder Lauffläche des Wälzelements können ganz oder teilweise aus einem Material wie Kunststoff oder einem Gummi bestehen, das möglichst einen unerwünschten Schlupf zwischen beiden Bauteilen vermeidet.
• In einer vorteilhaften, wenn auch wegen der einzuhaltenden geringen Toleranzen fertigungstechnisch anspruchsvollen, Ausführung kann die Rollbahn in Form eines Kronenrades ausgebildet sein. Das Wälzelement ist in Form eines zur Zahnung des Kronenrades komplementären Zahnrades (Kammrad) ausgebildet. Die Zahnung des Kronenrades kann bei der Alternative i) bis zu ±45° in Richtung der optische Achse oder in Alternative ii) bis zu ±45° zur Ebene geneigt sein.
• Das in den Strahlengang eingebrachte und dort justierbare optische Element kann in einer bevorzugten Ausführung eine für eine Strahlung des Strahlengangs transparente planparallele Platte, beispielsweise eine planparallele Glasplatte, sein. Ein solche planparallele Platte eignet sich besonders dazu, einen auftretenden Strahlversatz zu beeinflussen, insbesondere um einen solchen zu korrigieren.
• In weiteren Ausführungen der Erfindung kann das optische Element eine Schlitzblende, ein optisches Gitter, ein Verlaufsfilter oder ein Keilprisma (optischer Keil) sein.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in unterschiedlichen optischen Anordnungen und Geräten verwendet sein und dort in einem Strahlengang, insbesondere in einem Beleuchtungsstrahlengang, angeordnet sein.
• Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Mikroskop vorhanden sein. Dabei kann das Mikroskop als ein sogenanntes SIM-Mikroskop (structured-illuminationmicroscope) ausgebildet sein, bei dem die Beleuchtungsstrahlung, beispielsweise unter Nutzung geeigneter Gitter, strukturiert wird, sodass ein abzubildendes Objekt (Probe) mit einem Muster beleuchtet ist beziehungsweise beleuchtet werden kann.
• Um die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise zur Korrektur eines Strahlversatzes einzusetzen, kann wie nachstehend beschrieben vorgegangen werden.
• Wie bereits erläutert, soll sich die Drehlage der ersten Drehachse nach einer vollen Umdrehung um die zweite Drehachse um einen geringen Betrag verändern. Dieser Umstand kann als $${\mathrm{\Psi }}_{\text{M}}={\mathrm{\Psi }}_{\text{M}0}+2\mathrm{\pi }$$

  

  für die zweite Drehachse und als $${\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}={\mathrm{\Psi }}_{\text{W}0}+\mathrm{\Delta }{\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}$$

  

  oder $${\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}={\mathrm{\Psi }}_{\text{W}0}-\mathrm{\Delta }{\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}$$

  

  für die erste Drehachse ausgedrückt werden. Die Terme Ψ_M0 und Ψ_W0 stehen dabei für beliebige Ausgangswinkel der beiden Drehachsen.
• Eine aktuelle Drehlage Ψ_W ergibt sich daher aus Ψ_W = Ψ_W0 + m ΔΨw . Der Zusammenhang eines Strahlversatzes Isvecl und den durch Änderungen der Drehlage ΔΨw bewirkten Strahlauslenkungen Δs kann mit |_Svec| = m Δs(ΔΨw) ausgedrückt werden.
• Die Strahlversatzkorrektur kann somit mit den folgenden Schritten durchgeführt werden:
1. 1. Bestimmung eines aktuell auftretenden Strahlversatzes, ausgedrückt als Vektor ls_vecl= (s_x, s_y) des Beleuchtungslichts bezüglich der optischen Achse in dem kartesischen Koordinatensystem. Eine solche Bestimmung kann zum Beispiel mittels einer Schwerpunktmessung einer erfassten Intensitätsverteilung beispielsweise eines Beleuchtungsstrahlenbündels erfolgen.
2. 2. Durchführung einer Orientierungsdrehung um die zweite Drehachse zur Ausrichtung der ersten Drehachse in eine gewünschte Winkellage, die dann senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen optischer Achse und der gemessenen Position (z. B. Position des Schwerpunkts) des Beleuchtungsstrahls steht.
3. 3. Anschließend erfolgt anhand der ermittelten notwendigen Verschiebung Isl des Beleuchtungsstrahls die Bestimmung des notwendigen Drehwinkels des optischen Elements um die erste Drehachse, mit dem die gewünschte Drehlage erreicht wird. Dabei ist auf das Vorzeichen zu achten.
• Aus den oben angegebenen Beziehungen kann zusammengefasst werden, dass der Betrag δ durch R_M/Rw = k + δ bestimmt wird und δ seinerseits die Änderung der Drehlage ΔΨw vorgibt. Diese wiederum bestimmt die bewirkte Strahlauslenkung Δs. Aus dem Strahlversatz ist geteilt durch die Strahlauslenkung Δs ergibt sich die Anzahl m erforderlicher Schwenkbewegungen um die zweite Drehachse II.
• Der mittels einer planparallelen Glasplatte zu bewirkende beziehungsweise zu korrigierende Strahlversatz und der dazu erforderliche Drehwinkel um die erste Drehachse kann durch die Formel $$\left|{\text{s}}_{\text{vec}}\right|=\text{d sin}\left({\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}\right)\left(1-(\text{cos}\left({\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}\right)\text{/}{\left[{\text{n}}^2-\text{sin}\left({\mathrm{\Psi }}_{\text{W}}\right)\right]}^{\mathrm{0,5}}\right)$$

  

  beschrieben werden. Dabei ist d die Dicke und n der Brechungsindex der Glasplatte.
• 4. Nach Abschluss der Berechnungen wird das optische Element um den ermittelten Drehwinkel in der erforderlichen Drehrichtung rotiert und in die gewünschte Drehlage Ψ_W gebracht.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Alternative i) in einer perspektivischen Ansicht;
• 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Alternative ii) in einer seitlichen Ansicht;
• 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der Justage eines optischen Elements mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Alternative i) in einem Ausgangszustand;
• 4 eine schematische Darstellung der Ausführungsvariante der Justage eines optischen Elements mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der ersten Alternative i) in einem zweiten Zustand; und
• 5 eine schematische Darstellung eines SIM-Mikroskops mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
• Wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (1) sind ein Träger 2 mit einer umlaufenden Rollbahn 3 auf einer seiner Seitenflächen sowie ein Wälzelement 4, das auf der Rollbahn 3 abrollt und das mit einer axial angeordneten Welle 5 versehen ist, an deren freiem Ende ein optisches Element 6 vorhanden ist. Während einer Abrollbewegung des Wälzelements 4 rotiert dieses zusammen mit der Welle 5 und dem optischen Element 6 um eine erste Drehachse I.
• In der in 1 dargestellten Vorrichtung 1 gemäß einer ersten Alternative i) ist der Träger 2 mit der Rollbahn 3 um eine optische Achse oA eines Strahlengangs angeordnet. Die optische Achse oA verläuft in Richtung der z-Achse (z-Richtung) eines kartesischen Koordinatensystems, während sich die Rollbahn 3 in einer Ebene E erstreckt, die durch die x-Achse und die y-Achse aufgespannt wird und somit orthogonal zur optischen Achse oA liegt. Das optische Element 6 ist auf der optischen Achse oA positioniert. Die Welle 5 ist mit einem Antrieb 7 (punktiert gezeigt) verbunden, der als ein gehäuseloser Servomotor um die optische Achse oA angeordnet ist. Mittels des Antriebs 7 können Wälzelement 4, Welle 5 und optisches Element 6 sowohl um die erste Drehachse I rotiert als auch um eine zweite Drehachse II geschwenkt werden. Dabei kann ein Teil des Antriebs 7 an dem Träger 1 abgestützt sein und sich gesteuert um die optische Achse oA respektive die um die zweite Drehachse II drehen lassen. Der Antrieb 7 kann ein entsprechendes Übertragungselement aufweisen, um die Drehbewegung des Antriebs 7 auf das Wälzelement 4 beziehungsweise die Welle 5 zu übertragen. Der Antrieb 7 steht mit einer Steuerung 8 in Verbindung, von der Steuerbefehle an den Antrieb 7 übermittelt werden.
• Die zweite Drehachse II fällt in der ersten Alternative der Vorrichtung 1 mit der optischen Achse oA zusammen. Eine aktuelle Drehlage von Wälzelement 4, Welle 5 und optischem Element 6 wird mit Ψ_W bezeichnet. Nachfolgend wird zur Vereinfachung der Beschreibung auf die Drehlage Ψ_W des optischen Elements 6 Bezug genommen. Eine aktuelle Winkellage, also die Ausrichtung der ersten Drehachse I relativ zur zweiten Drehachse II beziehungsweise zum Koordinatensystem wird mit Ψ_M gekennzeichnet.
• Die Radien R_M der Rollbahn 3 und Rw des Wälzelements 4 (siehe 2) sind so bemessen, dass jede Schwenkbewegung des Wälzelements 4 um 360° um die zweite Drehachse II zwar zur wieder gleichen Winkellage Ψ_M, aber zu einer neuen Drehlage Ψ_W der ersten Drehachse I führt. Dabei ist, wie bei allen Ausführungsbeispielen, die oben erläuterte Bedingung R_M/R_W = k + δ eingehalten, sodass eine 360°-Drehung um die zweite Drehachse II eine Änderung der Drehlage ΔΨw des Wälzelements 4 um die erste Drehachse I von ΔΨw = δ2π bewirkt.
• Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß einer zweiten Alternative ii) zeigt den Träger 2, der parallel zur optischen Achse oA ausgerichtet ist. Die Rollbahn 3 verläuft daher in einer Ebene E, die ebenfalls zur optischen Achse oA parallel ist.
• Die Rollbahn 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Zahnkranz gebildet (vereinfacht dargestellt). Das Wälzelement 4 ist als ein zur Teilung des Zahnkranzes komplementäres Zahnrad ausgebildet. Rollbahn 3 und Wälzelement 4 wirken also wie das Kronenrad und das Kammrad eines Kronenradgetriebes zusammen, ohne dass allerdings zwischen diesen eine Antriebsleistung übertragen wird. Die erste Drehachse I verläuft wiederum senkrecht zur optischen Achse oA. In der zweiten Alternative ii) verläuft die zweite Drehachse II senkrecht zur optischen Achse oA. Der Antrieb 7 ist um die zweite Drehachse II umgreifend angeordnet.
• Eine Ausführungsvariante der Justage eines optischen Elements 6 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der zu 1 beschriebenen ersten Alternative i) ist in den 3 und 4 veranschaulicht. In einem ersten Schritt wird die erste Drehachse I in eine gewünschte Winkellage Ψ_M gebracht, indem das Wälzelement 4 mittels des Antriebs 7 entlang der Rollbahn 3 in die betreffende Winkellage Ψ_M bewegt wird (mit einem Doppelpfeil symbolisiert). Damit kann bereits die Justage hinsichtlich der zuvor empirisch oder rechnerisch ermittelten gewünschten Winkellage Ψ_M abgeschlossen sein (3).
• Ausgehend von der gewünschten Winkellage Ψ_M können bei Bedarf nachfolgend Schwenkbewegungen um Vielfache von 2π um die zweite Drehachse II vorgenommen werden, um die Drehlage Ψ_W des optischen Elements 6 in diskreten Schritten (Ψ_W= Ψ_W0+/- m·ΔΨ_W) einzustellen. Dabei bleibt die bereits erreichte gewünschte Winkellage Ψ_M im Ergebnis unverändert.
• Die Anzahl m notwendiger vollständiger Schwenkbewegungen um die zweite Drehachse II ergibt sich wie oben erläutert aus dem Verhältnis r der Radien von Rollbahn 3 und Wälzelement 4 und des zu erzeugenden Strahlversatzes Isvecl.
• Um die Drehlage Ψ_W einzustellen wird eine aktuelle Drehlage Ψ_W0 ermittelt, die das optische Element 6 an der gewünschte Winkellage Ψ_M aufweist. Diese aktuelle Drehlage Ψ_W0 ist die Ausgangsdrehlage. Diese wird mit einer zuvor ermittelten gewünschten Drehlage Ψ_W des optischen Elements 6 verglichen. Dabei ergeben die gewünschte Winkellage Ψ_M gemeinsam mit der gewünschten Drehlage Ψ_W eine räumliche Ausrichtung des optischen Elements 6 relativ zur optischen Achse oA, bei der beispielsweise ein auftretender Strahlversatz in Richtung der x-Achse und in Richtung der y-Achse korrigiert ist.
• Aus dem Verhältnis R_M/Rw = k + δ und der Beziehung ΔΨw = δ 2π ist bekannt, wie groß die Änderung ΔΨ_w der Drehlage nach einer vollständigen Schwenkbewegung um die zweite Drehachse II ist. Bei Kenntnis der aktuellen Drehlage Ψ_W0 kann also ermittelt werden, wieviel vollständige Schwenkbewegungen (Anzahl m) um die zweite Drehachse II erforderlich sind, um zur gewünschten Drehlage Ψ_W zu gelangen. Außerdem kann ermittelt werden, ob die gewünschte Drehlage Ψ_W effektiver durch Schwenkbewegungen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn erreicht werden kann.
• Ist die Anzahl m der erforderlichen Schwenkbewegungen sowie deren Richtung ermittelt, kann ausgehend von der eingestellten Winkellage Ψ_M die gewünschte Drehlage Ψ_W des optischen Elements 6 eingestellt werden. Dazu wird das optische Element 6 um die erste Drehachse I rotiert und dabei vollständig um die zweite Drehachse II geschwenkt. Das Wälzelement 4 rollt dabei auf der Rollbahn 3 ab.
• Nachdem die zuvor ermittelte Anzahl m solcher Schwenkbewegungen ausgeführt wurden (mit einem umlaufenden Pfeil gezeigt), hat das optische Element 6, und damit die erste Drehachse I, wieder die Winkellage Ψ_M erreicht. Die Drehlage Ψ_W von Wälzelement 4, Welle 5 und optischem Element 6 hat sich dagegen mit jeder Schwenkbewegung um den Betrag ΔΨ_W verändert (4). Die gesamte Änderung der Drehlage ΔΨ_W beträgt m ΔΨ_W.
• Die Veränderung der Drehlage Ψ_W gegenüber der 3 ist in 4 zum Zwecke der Veranschaulichung sehr ausgeprägt dargestellt und beträgt circa 30°.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann in einem Mikroskop M angeordnet sein (5). Im Ausführungsbeispiel ist das Mikroskop M als ein sogenanntes SIM-Mikroskop (siehe oben) ausgebildet, mittels dem eine Probe 16 mit einer strukturierten Beleuchtungsstrahlung beleuchtet wird.
• Die Beleuchtungsstrahlung, die von einer nicht dargestellten Lichtquelle bereitgestellt wird, wird mittels einer lichtleitenden Faser 9 zum Strahlengang des Mikroskops M geführt und am Ende der lichtleitenden Faser 9 aus dieser ausgekoppelt. Mittels optischer Linsen 10 wird die Beleuchtungsstrahlung gesammelt und kollimiert. Im Strahlengang der optischen Linsen 10 kann eine Pupillenebene PE gebildet sein. Im Strahlengang ist eine Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführung i) angeordnet, wobei die optische Achse oA von der Vorrichtung 1 in einer orthogonalen Ebene E umfangen ist (siehe 1). Das optische Element 6 ist in den Strahlengang gestellt. In einer der Vorrichtung im Strahlengang folgenden Zwischenbildebene ZB ist eine Anordnung mit mehreren Gittern 11 vorhanden, die lateral in den Strahlengang eingeschoben oder eingeschwenkt werden kann. Dabei kann jeweils ein gewünschtes Gitter 11 in den Strahlengang gestellt werden. Um Verschiebungen der Abbildungen des jeweiligen Gitters 11 bewirken zu können, ist ein sogenannter Phasen-Shifter 12 vorhanden, der beispielsweise durch eine mittels eines Galvanometerscanners sehr schnell, vorteilhaft im Bereich von Millisekunden, angetriebene Glasplatte gebildet ist.
• Eine Tubuslinse 13 führt die so modifizierte Beleuchtungsstrahlung zu einem Farbteiler 14, der die Beleuchtungsstrahlung in Richtung eines Objektivs 15 reflektiert. Durch Wirkung des Objektivs 15 wird die Beleuchtungsstrahlung auf die Probe 16 gerichtet, die sich auf einem Probenhalter 17 befindet.
• Eine durch Wirkung der Beleuchtungsstrahlung bewirkte Detektionsstrahlung wird durch das Objektiv 15 gesammelt und zum Farbteiler 14 geführt. Die Detektionsstrahlung ist insbesondere eine durch Wirkung der Beleuchtungsstrahlung hervorgerufene Strahlung, die eine andere, insbesondere größere, Wellenlänge als die Beleuchtungsstrahlung aufweist. Zum Beispiel ist die Beleuchtungsstrahlung eine (Laser-)strahlung, die in der Probe 16 vorhandene Fluorophore zur Emission von Fluoreszenzlicht anregt.
• Die Detektionsstrahlung passiert wegen ihrer anderen Wellenlänge den Farbteiler ohne Reflektion. Nachfolgend kann die Detektionsstrahlung unter Verwendung geeigneter Filter 18 in ihrem Wellenlängenspektrum beeinflusst und optional mittels variabel auswählbarer Linsen 19 geformt werden. Ebenfalls optional kann ein reflektierendes Element wie ein Spiegel 20 zur Umlenkung der Detektionsstrahlung in Richtung eines Detektors 21 vorhanden sein. Der Detektor 21 ist vorteilhaft ein zweidimensionaler, also ortsauflösender, Detektor mit einer Mehrzahl von Detektorelementen.
• Zur Justage des optischen Elements 6 zum Zwecke einer Korrektur eines Strahlversatzes des Strahlengangs kann die Beleuchtungsstrahlung auf einen Testkörper gerichtet werden, der als Probe 16 fungiert. Die erfasste Detektionsstrahlung wird auf den Detektor 21 abgebildet, wobei ein auftretender Strahlversatz anhand der Intensitätsverteilung der Detektionsstrahlung auf den Detektor 21 festgestellt werden kann.
• Größe und Richtung des Strahlversatzes können mit dem Detektor 21 erfasst und an die Steuerung 8 zur Auswertung geleitet werden. Im Ergebnis der Auswertung werden Steuerbefehle an einen Antrieb 7 der Vorrichtung 1 übermittelt und durch diesen ausgeführt. Der Antrieb 7 ist dazu ausgebildet, das Wälzelement 4 entsprechend der Steuerbefehle hinsichtlich Richtung und Betrag anzutreiben. Weitere vorhandene Stellantriebe 22 können zudem zur Bewegung der Gitter 11, des Phasen-Shifters 12 und/oder der variabel auswählbaren Linsen 19 ausgebildet und mit der Steuerung 8 verbunden sein.
• Eine Kontrolle des Justagevorgangs kann im Rahmen einer Feedback-Regelung erfolgen, indem die durch die Justage des optischen Elements 6 bewirkten Veränderungen der Intensitätsverteilung auf dem Detektor 21 laufend erfasst und ausgewertet werden.
• Alternativ kann eine Justage anhand vorab angefertigter Tabellen oder Regeln vorgenommen werden. Geeignete Korrekturalgorithmen können auch auf Speicherelementen, zum Beispiel EPROM's oder ähnlichen Speicher zur Verfügung gestellt sein.
• Es ist zu bemerken, dass die Justage des optischen Elements 6 und eine Korrektur eines Strahlversatzes ist ein Vorgang ist, der bei Weitem nicht so schnell ausgeführt werden muss wie zum Beispiel die jeweiligen Verschiebungen der Gittermuster mittels des Phasen-Shifters 12. Eine derartige Korrektur kann beispielsweise vor Beginn einer Inbetriebnahme einer optischen Anordnung, beispielsweise eines Mikroskops M, erfolgen. Außerdem erlaubt die Ausstattung mit einem gesteuerten Antrieb 7, dass eine Justage ohne Hilfsmittel selbst bei einem geschlossenen Gehäuse der optischen Anordnung vorgenommen werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Träger

3

Rollbahn

4

Wälzelement

5

Welle

6

optisches Element

7

Antrieb

8

Steuerung

9

lichtleitende Faser

10

optische Linse

11

Gitter

12

Phasen-Shifter

13

Tubuslinse

14

Strahlteiler

15

Objektiv

16

Probe

17

Probenhalter

18

Filter

19

variabel auswählbare Linsen (Optovar)

20

Spiegel, Strahlumlenkung

21

Detektor

22

Stellantriebe

E

Ebene

M

Mikroskop, SIM-Mikroskop

m

Anzahl Schwenkbewegungen

oA

optische Achse

PE

Pupillenebene

RM

Radius Rollbahn 3

RW

Radius Wälzelement 4

ZB

Zwischenbildebene

I

erste Drehachse

II

zweite Drehachse

δ

Bruchteil

ΨM0

Ausgangswinkellage

ΨW0

Ausgangsdrehlage

ΨM

Winkellage

ΨW

Drehlage

ΔΨM

Änderung Winkellage

ΔΨM

Änderung Drehlage

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012109577 A1 [0005]

Claims (6)

1. Vorrichtung (1) zur Justage eines optischen Elements (6) in einem Strahlengang, bei der das optische Element (6) um eine erste Drehachse (I) und eine davon verschiedene zweite Drehachse (II) drehbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass - entweder ◯ i) um die optische Achse (oA) des Strahlengangs ein Träger (2) mit einer als Rollbahn (3) ausgebildeten Seitenfläche vorhanden ist, wobei sich die Rollbahn (3) in einer zur optischen Achse (oA) orthogonalen Ebene (E) erstreckt und die zweite Drehachse (II) parallel zur optischen Achse (oA) verläuft; oder ◯ ii) ein Träger (2) mit einer als Rollbahn (3) ausgebildeten Seitenfläche vorhanden ist, wobei sich die Rollbahn (3) in einer zur optischen Achse (oA) parallelen Ebene (E) erstreckt und die zweite Drehachse (II) orthogonal zur optischen Achse (oA) verläuft; - ein auf der Rollbahn (3) abrollendes Wälzelement (4) vorhanden ist, dessen Drehachse als erste Drehachse (I) orthogonal zur optischen Achse (oA) des Strahlengangs und parallel zur Ebene (E) der Rollbahn (3) verläuft; - das Wälzelement (4) entlang seiner ersten Drehachse (I) eine Welle (5) aufweist, an deren der Rollbahn (3) abgewandtem Ende das optische Element (6) angeordnet ist und das optische Element (6) bei einer Abrollbewegung des Wälzelements (4) um die erste Drehachse (I) des Wälzelements (4) rotiert wird; - ein Antrieb (7) zum Erzeugen der Abrollbewegung, wobei der Antrieb (7) an dem Wälzelement (4) und/oder dessen Welle (5) angreift, sodass das Wälzelement (4) auf der Rollbahn (3) abgerollt wird beziehungsweise abgerollt werden kann; und - für das Verhältnis r eines Radius R_M der Rollbahn (3) und eines Radius Rw des Wälzelements (4) gilt: $${\text{R}}_{\text{M}}{\text{/R}}_{\text{W}}=\text{r}=\text{k}+\mathrm{\delta },$$

   

   wobei k eine positive ganze Zahl und δ eine gebrochen rationale Zahl kleiner 1 ist.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (7) mit einer Steuerung (8) verbunden ist und die Abrollbewegung gesteuert erfolgt.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollbahn (3) in Form eines Kronenrades beziehungsweise eines Sektors eines Kronenrades und das Wälzelement (4) in Form eines zur Zahnung des Kronenrades komplementären Zahnrads ausgebildet sind.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (6) eine für eine Strahlung des Strahlengangs transparente planparallele Platte ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (6) eine Schlitzblende, ein Gitter, ein Verlaufsfilter oder ein Keilprisma (optischer Keil) ist.
6. Mikroskop (M), insbesondere Mikroskop (M) mit einer strukturierten Beleuchtung, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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