DE2448499A1

DE2448499A1 - Strahlenteiler

Info

Publication number: DE2448499A1
Application number: DE19742448499
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Phys Flad
Original assignee: Balzers AG
Current assignee: OC Oerlikon Balzers AG
Priority date: 1973-11-12
Filing date: 1974-10-11
Publication date: 1975-05-15
Also published as: CH573125A5; FR2251015B1; US3947092A; JPS50106653A; GB1474706A; NL7317208A; FR2251015A1

Description

BALZERS HOCHVAKUUM GMBH, Heinrich-Hertz-Str.6, D βΟΟΟ Frankfurt/M

Strahlenteiler

Für bestimmte Beleuchturigssysteme mit gebrochenen Strahlengängen (z.B. bei Fluoreszenzmikroskopen, Fluoreszenzkameras, Filmkopiermaschinen) sind Strahlenteiler wünschenswert, die eine möglichst hohe Beleuchtungsstärke in einem definierten, engen Spektralbereich ergeben und gleichzeitig die Strahlung in einem spektral anschliessenden Bereich vollständig absorbieren und andere Bereiche möglichst vollständig hindurchlassen.

Dabei soll die thermische Belastbarkeit möglichst hoch sein, das heisst, der spektrale Absorptionsbereich soll bei den üblichen überwiegend Infrarotlicht abgebenden Lichtquellen auf der kurzwelligen Seite liegen.

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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Strahlenteiler anzugeben,, welcher die erwähnten Forderungen mit einem geringstmöglichen Aufwand durch ein einziges optisches Element zu erfüllen gestattet. Die Erfindung ermöglicht dadurch beispielsweise, ein gewöhnliches Mikroskop, das für Durchlicht- und Auflicht-Beobachtung eingerichtet ist, in ein Fluoreszenzmikroskop umzuwandeln. Für eine wahlweise Benutzung eines Mikroskops in der einen oder anderen Funktion kann dieses mit einem Schieber oder Revolver ausgestattet werden, so dass nach Bedarf abwechselnd ein neutraler Lichtteiler oder der Strahlenteiler nach der Erfindung in den Strahlengang eingebracht werden kann.

Bei erhöhten Anforderungen werden zur besseren Unterdrückung nicht erwünschten Lichts je ein weiteres Transmissionsfilter in den Beleuchtungsstrahlengang und ein zweites in den Beobachtungsstrahlengang eingeschaltet.

Der erfindungsgemässe Strahlenteiler mit einem auf einem lichtdurchlässigen Träger aufgebrachten mehrschichtigen, einen Spektralbereich des Arbeitsbereiches des Filters hindurchlassenden und einen anderen, angrenzenden Spektralbereich reflektierenden Interferenzbelag, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als Farbglas mit einer die Reflexion des Lichtteilers spek-

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tral begrenzenden Absorptionskante ausgebildet ist und dass bei dem Interferenzbelag das Verhältnis der optischen Dicken der niederbrechenden zu den hochbrechenden Schichten 1:2. bis 1:9 beträgt.

Uebliche Viertelwellenlängen-Interferenzsysteme zeigen bei schiefer Inzidenz eine starke Aufspaltung in die beiden Polarisationskomponenten Tp und Ts (Figur 5), so dass die resultierende Transmissionskurve T_M für natürliches Licht abgeflacht wird, die spektrale Trennung von natürlichem Licht also auf einem grossen Wellenlängenbereich gedehnt wird.

(Die Kurve T_M ergibt sich in bekannter Weise nach der Formel

T + T \
¹^M ⁼ P S ). Bei dem erf indungsgemässen Strahlenteiler

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werden die beiden Komponentenkurven durch geeignete Wahl der Dicken der einzelnen hoch- und niederbrechenden Schichten und durch entsprechende Wahl ihres Dickenverhältnisses spektral so zusammengedrängt, dass die für natürliches Licht resultierende Kurve eine grössere Steilheit der spektralen Kante und damit eine bessere spektrale Trennung von Reflexion- und Transmissionsbereich erzielt wird. Einen solchen spezifischen Aufbau des Interferenzsystems erhält man z.B. dadurch, dass das Verhältnis der optischen Dicken der niederbrechenden zu den hochbrechenden

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Schichten 1:2 bis 1:9 gewählt wird. Interferenzsysteme solcher Art sind z.B. von Baumeister in "Handbook of Optical Design", sect. 2a, US. Governement Printing Office, Washington, DC. beschrieben worden. Vorzugsweise wird für die erwünschte Reflexion im Bereich des fluoreszenzanregenden Lichtes der Reflexionsbereich zweiter oder dritter oder einer höheren Ordnung des Grundsystems verwendet. Die spektrale Steilheit der Transmissionskurve (ausgedrückt in Prozenten pro nm) kann damit um den Paktor 3 verbessert werden.

Durch eine derartige Ausbildung des Strahlenteilers hat man es in der Hand, das Reflexionsband des Interferenzsystems entsprechend den Erfordernissen zu begrenzen, wobei die verbleibende Bandbreite der Reflexion praktisch in beliebten Grenzen eingeschränkt werden kann. Bisher konnten begrenzte Reflexionsbänder nur durch einen besonderen Schichtaufbau des Interferenzsystems erzielt werden und auch dies nur für Reflexionsbänder

relativ grosser Breite.

Im folgenden soll am Beispiel eines üblichen Durchlicht-Auflicht-Mikroskops der Aufbau eines solchen erfindungsgemässen Strahlentellers näher erläutert werden. Die Figur 1 zeigt schematisch den bekannten Strahlengang in einem Auflichtmikroskop,

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wobei der Strahlenteiler zur Erläuterung von Einzelheiten vergrössert dargestellt wurde.

Das Licht einer Wolframlampe 1 wird durch einen Kondensator 2 über einen (unter 45° im Strahlengang befindlichen) Strahlenteiler 3 und das Objektiv 4 auf das Objekt 5 gelenkt. Das vom Objekt reflektierte Licht gelangt durch das Objektiv, den Strahlenteiler und das Okular 6 ins Auge des Beobachters. Ein Teil des vom Objekt reflektierten Lichtes geht durch Reflexion am Lichtteiler verloren.

Bei der Benutzung des Mikroskops als Fluoreszenzmikroskop soll auf ein Objekt, welches eine spezifische, fluoreszierende Substanz (z.B. Fluorescein-iso-thio-cyanat) enthält, nur solches Licht eingestrahlt werden, welches zur Anregung der Fluoreszenz notwendig ist. Figur 2 stellt die spektralen Verhältnisse dar. Die Kurve Ex stellt die spektrale Empfindlichkeit der Substanz in Bezug auf ihre Erregung dar, die Kurve Em zeigt die spektrale Verteilung der durch Fluoreszenz erregten Strahlung. Die beiden Kurven überlappen sich meist etwas.

Das erregende Licht soll möglichst nur .in dem spektralen Bereich K.-K_ eingestrahlt werden, während das emittierte Fluoreszenzlicht im Bereich Em mit möglichst hohem Wirkungsgrad- zum

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Auge des Beobachters gel-enkt werden soll. Um einen hohen Fluoreszenzkontrast zu erreichen, soll jedoch das eingestrahlte Erregungslicht vom Auge möglichst ferngehalten werden. Die Empfindlichkeit der Fluoreszenzmethode hängt wesentlich von der guten Trennung des erregenden vom erregten Licht ab. Ausserdem soll das erregende Licht aber auch keine weiteren, kürzerwelligen Anteile im Bereich AF enthalten, welche durch Autofluoreszenz des Mediums eine Kontrastminderung des erwünschten Fluoreszenzbildes oder gar eine kontrastmässig falsche Interpretation des zu beurteilenden Fluoreszenzbildes verursachen können. Aus diesem Grund ist die vollständige Unterdrückung dieses kürzerwelligen Bereiches besonders bei Lichtquellen mit starkem Ultraviolettanteil äusserst wichtig.

Die Figur 3 zeigt die ideale spektrale Charakteristik eines Strahlenteilers für eine Anwendung gemäss dem vorstehenden Beispiel. Wie ersichtlich, sollte der Bereich A bis zur Kante KA vollständig unterdrückt werden. Der Bereich R dagegen, der das für die Fluoreszenzerregung nützliche Licht umfasst, sollte möglichst vollständig reflektiert werden, der Bereich T betreffend das für die Abbildung nützliche Fluoreszenzlicht hingegen durchgelassen werden.

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Erfindungsgemäss kann ein Strahlenteiler, welcher diese Forderung weitgehend erfüllt, folgendermassen aufgebaut sein:

Auf dem Farbglas 7, welches Strahlung des Bereiches A weitgehend absorbiert und dessen Absorptionskante im Bereich KA (auf der kurzwelligen Seite des Maximums der die Fluoreszenz erregenden Strahlung) abfällt, ist ein Interferenzbelag 8 aufgebracht. Dieser interferenzbelag besteht aus einem Paket abwechselnd hoch- und niederbrechender Schichten.

Dabei verhalten sich die optischen Dicken der hochbrechenden Schichten zu den niederbrechenden Schichten wie 5:1. Als optische Dicke gilt das Produkt n.d, wobei η der Brechungsindex und d die geometrische Dicke des betreffenden Stoffes ist, Als hochbrechender Stoff kann z.B. Titandioxid mit dem Brechungsindex n, =2.3 und als niederbrechender Stoff Siliciumdioxid mit dem Brechungsindex n₂ = 1.47 verwendet werden.

In dem vorliegenden Fall soll die lange Kante der 2. Ordnung des Interferenzsystems als Reflexionskante benutzt werden. Wenn das Reflexionsmaximum der 2. Ordnung beispielsweise bei 460 nm Wellenlänge liegen soll, müsste das Reflexionsmaximum

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bei 920 nm liegen. Infolge der Dispersion der verwendeten Stoffe, insbesondere der des Titandioxides, liegt aber das Reflexionsmaximum der 1. Ordnung bei etwa 885 nm. Bei der Berechnung des Interferenzsystems muss also von dieser Grundwellenlänge λ = 885 nm ausgegangen werden. Um eine phasengerechte Summierung der Reflexionsvektoren zu gewährleisten, muss die Bedingung n, d + η d = λ /2 (Gleichung l) erfüllt sein, wobei n, der Brechungsindex des hochbrechenden Stoffes c eine geometrische Dicke und n_? sowie dp die entsprechenden Grossen-des niederbrechenden Stoffes sind.

Im obigen Fall soll ausserdem die Bedingung erfüllt sein η d =5 η d (Gleichung 2)

Gleichung 2 eingesetzt in Gleichung 1

^{5 n}2 ^d2 ^{+ n}2 ^d2

Mit Gleichung 2 η_χ ά_± = 5

Für X_Q = 885 nm ergibt sich

= 5 λ /12 Ti₁ = 160.3 nm

^d2 ^{= λ}ο ^^{12 n}2

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Das gesamte Interferenzsystem ist aus 16 Einzelschichten aufgebaut. Als Substrat dient ein Farbglas mit dem Brechungsindex n, = I.52. Das an das Schichtsystem angrenzende Medium ist Luft mit nh = 1. Der Einfallswinkel beträgt 45°. Um im Haupttransmissionsbereich eine möglichst hohe Transmission zu erreichen, werden 7 der l6 Schichten zur sogenannten Reflexionsverminderung in ihrer Dicke variiert.

Das Gesamtsystem hat dann folgenden Aufbau:

Substrat

Farbglas

Geom. Dicke d in nm·

1.	Schicht	Titandioxid (T)	149.3
CVJ	Schicht	Siliciumdioxid (S)	• 44.5
3.	Schicht ·	T	158.0
4.	Schicht	S	52.2
5.,	7.i9.,ll.,l5.	T	160.3
6.,	8.,10.,12.	S	50.2
14.	Schicht	S	39.8
15.	Schicht	T	151.2
16.	Schicht	S	122.5

Angrenzendes Medium:

Luft

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Mit diesem Aufbau des Belages ergibt sich ein sogenanntes Kantenfilter in der Weise, dass die Kante in der Nähe von KR (Figur 2) liegt, so dass kürzerwellige Strahlung praktisch vollständig reflektiert, längerwellige dagegen hindurchgelassen wird. Durch die Kombination des erwähnten Farbglases mit dem Interferenzbelag erhält man dann insgesamt ein System, dessen spektrale Wirkung für das erwähnte Beispiel in Figur k dargestellt ist. Diese zeigt die Transmissionskurve I des Interferenzbelages und die Absorptionskurve FG des Farbglases.

Beim Gebrauch in Verbindung mit einem Fluoreszenzmikroskop wird der erfindungsgemässe Strahlenteiler (wie die Figur 1 zeigt) so eingesetzt, dass der Interferenzbelag auf der der Lichtquelle abgewandten Seite des Farbglases sich befindet.

Die unerwünschte (geringe) Restabsorption des Farbglases im Transmissionsbereich kommt dadurch nur einmal zur Wirkung. Die Bereiche R und T sind also weitgehend durch das Interferenzsystem charakterisiert, da die Transmission des Farbglases in diesen Bereichen bei einmaligem Durchgang nahezu 100$ beträgt. Der Bereich A in Figur 3 wird hingegen nahezu vollständig infolge des zweimaligen Durchgangs durch das Farbglas absorbiert.

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Die Erfindung, die obenstehend für die Anwendung bei einem
Fluoreszenzmikroskop erläutert wurde, kann selbstverständlich auch für andere Zwecke nützlich eingesetzt werden. Z.B. besteht bei Filmkopiermaschinen das Problem, drei verschiedene
scharfbegrenzte spektrale Bereiche der Strahlung einer Lichtquelle abzutrennen, um durch getrennte Regelung der einzelnen Farbkanäle beim Kopieren von Farbfilmen eine Farbkorrektur durchführen zu können. Die Erfindung ermöglicht es im Gegensatz zu den bisher hiefür verwendeten Filteranordnungen die einzelnen Farbbänder auf vorteilhafte Weise auszusondern. Der Hauptvorteil liegt darin, dass die Bereiche wesentlich schmaler als
bisher gewählt werden können und damit störende Ueberlappungen der einzelnen Farbkanäle vermieden werden.

.6.0 9.8-2 0·/0-6.9.3

Claims

PATENTANSPRUECHE

il.J Strahlenteiler mit einem auf einem lichtdurchlässigen Träger aufgebrachten mehrschichtigen, einen Spektralbereich des Arbeitsbereiches des Filters hindurchlassenden und einen anderen, angrenzenden Spektralbereich reflektierenden Interferenzbelag, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger als Farbglas mit einer die Reflexion des Lichtteilers spektral begrenzenden Absorptionskante ausgebildet ist und dass bei dem Interferenzbelag das Verhältnis der optischen Dicken der niederbrechenden zu den hochbrechenden Schichten 1:2 bis 1:9 beträgt.

Z. Strahlenteiler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbglas mit einer Absorptionskante auf der kurzwelligen Seite der Schwerpunktswellenlänge des von dem LiOhtteiler zu reflektierenden Spektralbereiches ausgebildet ist.

PR 7327

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