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Optische Blende und damit ausgerüstete
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laseroptische Einrichtung Bei der Anwendung von Laserstrahlen als
Instrument in der mikrobiologischen Forschung (z.B. gemäß DT-PS 2 141 387) oder
in anderen Anwendungsbereichen besteht die Forderung, den Laserstrahl nicht nur
mittels einer Optik, z.B. eines Mikroskopobjektivs od.dgl., so zu fokussieren, daß
er auf einen mikroskopisch kleinen, scharf begrenzten Bereich des Präparates beschränkt
ist und nur dort seine Wirkungen entfaltet, sondern auch diesen Strahlungsbrennpunkt
äußerst exakt auf eine gewiinschte Stelle des Präparates mit exakt vorgegebener
Lage und Tiefe im Präparat einstellen zu können.
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Diese Forderung ist um so schwieriger zu erfüllen, als in der
Regel
der zum Erzeugen der gewünschten Wirkung, z.B. Materialzerstörung, Verdampfung,
Anregung usw., verwendete, zu justierende Laserstrahl nicht unmittelbar beobachtet
werden kann, weil mit ultraviolettem Laserlicht und/oder im Impulsbetrieb gearbeitet
wird und/oder der Laserstrahl vor der erfolgten Justierung gar nicht eingeschaltet
werden darf, um nicht Wirkungen außerhalb der gewünschten Materialbereiche auszulösen.
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In der älteren Anmeldung P 25 05 774.3 und P 25 58 053 sind Verfahren
und Anordnungen beschrieben, bei denen dem unsichtbaren Arbeits-Laserstrahl ein
sichtbarer Hilfs-Laserstrahl kollinear überlagert wird, um die Lage beider Laserstrahlen
beobachtbar zu machen, wobei ferner durch optische Beeinflussung des einen oder
anderen Laserstrahls eine definierte, einstellbare Fokalabweichung in Richtung der
optischen Achse der beiden Laserstrahlen voneinander erzeugt wird, so daß, wenn
der Brennpunkt des sichtbaren Hilfs-Laserstrahls exakt an einer Präparatoberfläche
liegt, eine definierte bekannte Lage des Brennpunktes des anderen Laserstrahls im
Innern des Präparats gewährleistet ist.
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Es hat sich beim Arbeiten mit Laser-Mikropräparationsgeräten allgemein
und insbesondere bei Durchführung des genannten Verfahrens gezeigt, daß ungewöhnlich
hohe Anforderungen an die Genauigkeit, mit der ein extrem kleiner, scharf begrenzter
Laserbrennpunkt erzeugt wird und mit der der Laserstrahl und die ihn fokussierende
Optik relativ zueinander und zum Präparat justiert werden, zu stellen sind. Der
vorliegenden
erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine laseroptische
Einrichtung zu schaffen, die die Erzeugung eines scharf definierten Laserbrennpunkts
und die entsprechend notwendige Justierung der dazu verwendeten Einrichtungen mit
sehr großer Genauigkeit und auf einfache Weise vorzunehmen ermöglicht.
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Hierbei wurde erfindungsgemäß erkannt, daß vor allem die für solche
Justierungen zwingend benötigten Lochblenden zum Ausblenden unerwünschter Streuanteile
des LaserstrahLs von der Inclustrie bis heute nicht mit hinreichender Präzision
gefertigt werden. Die erfindungsgenjä.ße Lösung der Auf gabe sieht deshalb in erster
Linie die Schaffung einer speziell für die genannten Zwecke geeigneten, besonders
genau zu fertigenden Lochblende vor.
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Erfindungsgemäß ist eine optische Lochblende für laser--technische
Anwendungen dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer ftir die Laserstrahlung durchlässigen
Unterlage unal einer darauf aufgebrachten Interferenz-Reflexionsschicht, die selektivnur
bei einer oder mehreren Wellenlängen reflektiert, mit darin freigelassener Blendenöffnung
besteht.
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Eine derartige Blende hat gegenüber den herkömmlichen, aus perforierten
Metallscheiben bestehenden Lochblenden zwei wesentliche Vorteile. Einerseits ist
es möglich, die aus der Reflexionsschicht auszusparende Öffnung mit genau vorgegebenem
Durchmesser und exakt definierter Form, d.h. Kreisform
oder andere
Formen, herzustellen. Vorzugsweise geschieht dies mit Hilfe der aus der Halbleitertechnik
bekannten, ausgereiften Fotoätztechnik durch Belichtung eines aufgebrachten Fotolacks
mittels einer Lochmaske unter dem Mikroskop.
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Bei üblichen, mittels Laserstrahls perforierten Lochblenden haben
die Blendenöffnungen erfahreungsgemäß völlig unregelmäßige Formen. Der zweite Vorteil
liegt darin, daß die Interferenz-Reflexionsschicht, die auch mehrschichtig aufgebaut
sein kann, die Laserstrahlung, auf die sie abgestimmt ist, zu im wesentlichen 100%
reflektiert. Nicht exakt auf die Blendenöffnung fallende Anteile eines Laserstrahlfokus
werden deshalb reflektiert und nicht absorbiert und können somit auch keine Erwärmung
und Zerstörung der Blende bewirken.
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Bei herkömmlichen Lochblenden hat es sich immer wieder gezeigt, daß
der auszublendende Laserstrahl-Brennfleck an den Blendenrändern absorbiert wird
und diese zerstört. Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Blende
besteht darin, daß die Interferenz-Reflexionsschicht selektiv nur ein schmales Wellenlängenband
oder bei mehrschichtigem Aufbau auch mehrere Wellenlängen reflektiert. Damit läßt
sich erreichen, daß ein Hilfs-Laserstrahl von anderer Wellenlänge, der dem auszublendenden,
z.B. im UV liegenden Laserstrahl überlagert ist, von der Blende nicht beeinflußt
wird. Er kann deshalb auch dann, wenn sein Fokus nicht in der Blendenöffnung liegt,
ungehindert durch die Blende hindurchtreten und für Justierzwecke benutzt werden.
Hierdurch werden die Justierungsmöglichkeiten einer laseroptischen Einrichtung mit
Hilfe einer solchen Blende wesentlich verbessert.
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Eine mit einer erfindungsgemäßen Lochblende ausgerüstete komplette
laseroptische Einrichtung mit einer Lasereinheit zum Erzeugen vorzugsweise zweier
kollinear überlagerter Laserlichtbündel unterschiedlicher Wellenlänge und einem
die Laserstrahlen auf einem Objekt fokussierenden Objektiv, ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lasereinheit und Objektiv eine die Laserstrahlen
zwischenfokussierende Zwischenlinse angeordnet ist, daß die Blende am Ort des Zwischenfokus
eines der Laserstrahlen angeordnet oder auf diesen einstellbar ist, und daß Zwischenlinse
und Blende gemeinsam relativ zum Objektiv verschiebbar sind.
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Durch die auf den Zwischenfokus einzustellende Lochblende wird Streulicht
bzw. divergente Laserstrahlung weggefangen und dadurch die Strahlungseinwirkung
auf das Präparat außerhalb des gewünschten Mikrobereiches, dessen Grenze letztlich
trch die Beugung gegeben ist, ausgeschlossen. Diese Blendenwirkung bezieht sich
nur auf einen der beiden Laserstrahlen, und zwar den Arbeits-Laserstrahl, der die
gewünschte Wirkung auslösen soll. Der andere, kontinuierlich sichSare lSilts-Laserstrahl,
der insbesondere bei Anwendung des zuvor geschilderten Verfahrens seinen Zwischenfokus
an einer anderen Stelle haben wird, wird durch die selektiv wirkende Blende nicht
beeinflußt und kann dann unabhängig vom Arbeits-Laserstrahl für Justierzwecke benutzt
werden.
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Während die Lochblende in bezug auf die Zwischenlinse auf den dem
Zwischenfokus entsprechenden Abstand einstellbar sein muß, ist es erfindungsgemäß
weiterhin vorteilhaft, wenn die Blende und die Linse gemeinsam in Strahlrichtung
verschiebbar
sind zum Einstellen des Zwischenfokus in die dem
jeweiligen Objektabstand entsprechende Bildebene des Objektivs. Man erhält dabei
den optimalen Durchgang des Laserlichtbündels durch die Lochblende und Fokussierung
in die am Mikroskop visuell scharf eingestellte Objektebene.
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Um die Blende als zusätzliche Justierungshilfe nutzen zu können,
besteht sie vorzugsweise aus einer für die Wellenlängen beider Laserstrahlen durchlässigen
Platte, diejauf der der Zwischenlinse zugewendeten Seite den für eine Wellenlänge
selektiv undurchlässigen Blendenbelag mit Mittelöffnung trägt und deren andere Seite
mit Ausnahme des zentralen Bereichs mattiert ist. Durch direkte Beobachtung der
Blende von hinten kann die Lage des sichtbaren Hilfs-Laserstrahls, solange er sich
noch dezentriert im mattierten Bereich befindet, beobachtet und danach eine Grobzentrierung
der Blende vorgenommen werden. Die Feinzentrierung erfolgt durch Einstellen auf
maximale Helligkeit des hinter der Blende z.B. auf einem fluoreszierenden Schirm
aufgefangenen Laserstrahls. Hierbei ist,außer der angegebenen Verschiebbarkeit von
Linse und Blende in Achsrichtung, auch eine Möglichkeit zum Zentrieren der Blende
relativ zur optischen Achse der Linse und weiters eine Möglichkeit der Zentrierung
und Parallelausrichtung der aus Linse und Blende bestehenden Einrichtung auf die
vorgegebene optische Achse der Optik, also z.B. des Mikroskopobjektivs, erwünscht.
Hierzu ist erfindungsgemäß eine gemeinsame Halterung für die Zwischenlinse und die
Blende vorgesehen,
welche an einer Führung in Achsrichtung (z-Richtung)
verschiebbar ist, wobei die Blende an dieser halterung in der zur Achsrichtung senkrechten
Ebene (x- und y-Richtung) justierbar angeordnet ist und die Linse und/oder die Blende
an der Halterung in Achsrichtung (z-Richtung) verschiebbar ist.
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Die Führung für die Halterung ist ihrerseits justierbar, und zwar
vorzugsweise in zwei zur Achse senkrechten Richtungen (x- und y-Richtung) verschiebbar
und/oder in zwei zueinander senkrechten, durch die Achse verlaufenden Ebenen verkippbar.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze der gesamten laseroptischen Einrichtung.
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Fig. 2 zeigen den Aufbau der Zwischenoptik und der bis 4 justierbaren
Halterung und Führung im Längsschnitt und in Querschnitten nach A-A und B-B.
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In Fig. 1 sind die drei Hauptteile oder Baugruppen eilier kompletten
Einrichtung zum Laserbeschuß von mikroskopischen Präparaten mit strichpunktierten
Rechtecken umrandet, nämlich die Lasereinheit 20, eine Zwischenoptik 40 und eine
Mikroskopeinheit 50.
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In der Lasereinheit 20 befinden sich ein UV-Arbeitslaser 21 mit vorgeschalteter
Irisblende 22 zum Verändern des
Durchmessers des Laserstrahls 23
und damit der Kaustik des Laserstrahl-Brennflecks im Präparat, und weiter ein Hilfs-Laser
24, der ein kontinuierliches LichtbUndet25 im sichtbaren Bereich aussendet. Beide
aus den Lasern parallelgerichtet austretenden Lichtbündel laufen durch eine Filterwechselautomatik
26, 26' mit z.B. Graufiltern zum Verändern der Helligkeit und werden durch einen
teildurchlässigen Spiegel 27 vereinigt, nachdem das Lichtbündel 25 einen Strahlausrichter
28 (beam aligner) durchlaufen hat, mit dem es in zwei zueinander senkrechten Richtungen
(x, y) parallelverschoben und in den entsprechenden Ebenen auch verkippt (co, w)
werden kann, um die Kollinearität, d.h. Lage und Richtungsgleichheit mit dem Lichtbündel
23 herzustellen, was durch eine vorzugsweise fluoreszierende Mattscheibe 29 mit
Lupe 30 hinter dem Teilerspiegel 27 an einem ersten Punkt überprüft werden kann.
Strahlausrichter 28 sind im Prinzip bekannt und haben mittels der angedeuteten Einstellknöpfe
verdrehbare Spiegel.
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Vorzugsweise wird ein Strahlausrichter mit gleichzeitiger 90°-Umlenkung
verwendet, Drehknöpfe sollen die Einstellmöglichkeiten der Strahlausrichter 28,
33 andeuten, wobei aber Jeder Strahlausrichter insgesamt vier einstellbare Freiheitsgrade
x, y, cp und<o hat.
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In dem einen und/oder anderen Lichtbündel 23, 25 ist eine Einrichtung
31, 31 mit Wechsellinsen oder einer Optik mit veränderbarer Brennweite (Zoom) angeordnet,
um dem jeweiligen Strahl eine vom anderen Strahl verschiedene geringfügige
Divergenz
oder Konvergenz zu geben, zwecks tAinstellung eines gewünschten Abstandes zwischen
den beiden Laser-Brennpunkten, wie in der älteren Anmeldung P 25 58 053.4 beschrieben.
Der durch den Teilerspiegel 27 vereinigte Laserstrahl 32 kann durch einen weiteren
Strahlausrichter 33 wiederum in x, y, ç und a verschoben bzw. gekippt werden. Ein
Teil des Arbeits-Laserstrahls kann aus dem Strahlausrichter 33 in einen Monitor
34 gelangen, der die Energie bzw. Leistung des hrbeitslasers überwacht, so daß die
Schwankungen kompensiert oder bei der Auswertung berücksichtigt werden können.
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In der Zwischenoptik 40 befinden sich eine Zwischenlinse 41 und eine
Blende 42. Letztere besteht aus einer für beide Laserwellenlängen durchlässigen
Platte, die an ihrer dem Laser zugewandten Seite einen selektiv nur für die Wellenlänge
des Leistungslasers undurchlässigen Blendenbelag 43 mit sehr kleiner Nittelöffnung
trägt. Die andere Seite der Platte 42 ist mattiert, jedoch unter Freilassung des
zentralen Bereiches, damit der Arbeits-Laserstrahl nicht an der Mattierung gestreut
wird. An einer gemeinsamen, z.B. rohrförmigen Halterung 44 ist einerseits die Linse
41 mittels eines Einsteckrohrs 45 auswechselbar und in Achsrichtung (z-Richtung)
verschiebbar und andererseits die Blende 42 in der zur optischen verschiebbar Achse
senkrechten Ebene(x- und y-Richtung)/und ebenfalls auswechselbar befestigt. Damit
kann die Blende 42 in den von der Linse 41 erzeugten Zwischenfokus des Arbeits-Laserstrahls
eingestellt werden. Die gemeinsame Halterung 44 ist ihrerseits
an
einer Führung 46 in Achsrichtung (z-Richtung) hin und her verschiebbar, um den von
der Linse 41 erzeugten Zwischenfokus in die Zwischenbildebene des Mikroskopobjektivs
zu bringen.
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Die Fhhrung 46 ist wiederum justierbar, nämlich in zwei zur Achse
rechtwinkligen Richtungen (x- und y-Richtung) parallelverschiebbar und ferner in
zwei zueinander senkrechten, durch die Achse verlaufenden Ebenen verkippbar ((p,'3
).
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In der Mikroskopeinheit 50 wird der eintretende, überlagerte Laserstrahl
92 mittels eines selektiv verspiegelten Teilerspiegels 51 in das Mikroskopobjektiv
52 eingekoppelt und durch dieses auf das Präparat 53 fokussiert, um dort an gewünschter
Stelle die beabsichtigte Wirkung auszulösen. Das Präparat 53 befindet sich auf einem
in x-, y- und z-Richtung verschiebbaren Präparattisch und kann mittels Lampe 54,
Köhlersche Beleuchtungsoptik 55 bzw. Kondensor 56 in Durchlicht, Dunkelfeld oder
Phasenkontrast beleuchtet werden. Ferner ist eine Lampe 57, eine Köhlersche Beleuchtungsoptik
58 und ein Teilerspiegel 59 für Auflichtbeleuchtung vorgesehen. Die Beobachtung
des Präparats 53 und der in ihm ausgelösten Wirkung erfolgt über den Teilerspiegel
60 im Mikroskop-Binokular 61, und ferner ist eine Kamera 62 für fotografische Aufnahmen
und/oder für Darstellung auf einem Fernsehschirm vorgesehen.
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Vor dem Teilerspiegel 60 befindet sich ein selektives Sperrfilter
63 für z.B. UV-Licht des Lasers 21 und eine Tubuslinse 64 zur Anpassung des Zwischenbildes
vom ObJektiv 52 an die Bildebene des Binokulars 61 bzw. der Kamera 62. Die Teilerspiegel
27
und 51 sind vorzuüsweise als Doppelprismen spiegel oder als dünne Folien (pellicle,
ausgebildet, um seitliche Versetzungen zu vermeideii und dabei gleichzeitig die
optische Güte von dicken Speigeln erreichen zu können.
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Die Zwischenoptik 40 ist vorzugsweise als Ganyes aus dem Strahlengang
schwenkbar, und der Teilerspiegel 51 um 90° schwenkbar, um den Laserstrahl auf eine
entiern-te wand öu projizieren zur Überprüfung der Kollinearität der Laserstrahlen
an einem zweiten Punkt entfernt von der Mattscheibe 29.
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Zum mittigen Justieren des Laserstrahls auf die Optik sche Achse
des Objektives kann an die Stelle des Objektivs 52 eine Justiereinrichtung 7' eingesetzt
werden, die aus einer Platte mit einem ein Strich-Beugungsmuster bildenden Reflexionsbelag
besteht. Die bei mittigem und senkrechtem Auftreffen des Laserstrahls zweidimensional
und zentriert erscileinende Beugungsfigur kann im Okular des üikroskops oder auf
einem an beliebiger Stelle des Strahlenganges, z.. bei 35,35' angeordneten Blenden
schirmt beobachtet werden. Auch zum Justieren der Zwischenoptik 40, der Welchsellinseneinrichtung
31, 31' und/oder der Filterwechlselautomatik 26, 26' können derartige mit Beugungs-Strichfigur
versehene Spiegelplättchen 7", 7''' verwendet werden.
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Der mechanische Aufbau der Zwischenoptik 40 wird anhand der Fig.
2 bis 4 näher erläutert. Am Gehäuse 70 der Zwischenoptik ist mittels einer Blattfeder
72 ein Führungsteil 73 gelagert, so daß es mittels einer Schraube 74 um die Blattfeder
72
als Achse, also um eine zur Zeichenebene von Fig. 2 senkrechte Achse, gekippt werden
kann (Winkeleinstellung (p).
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Am Teil 73 ist ein Winkelstück 75 mittels einer Schwalbenschwanzführung
76 und Antriebsschraube 77 in der zur optischen Achse 71 querverlaufenden x-Richtung
(senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 2) verschiebbar. Am lotrechten Schenkel des
Winkel stücks 75 ist in ähnlicher Weise mittels einer (nicht dargestellten) Blattfeder
und einer Einstellschraube 78 ein Führungsteil 79 um eine lotrechte Achse verkippbar
(Winkeleinstellung ), und daran ist mittels einer lotrechten Schwalbenschwanzführung
80 mit Antriebsschraube 81 in lotrechter Richtung (y-Richtung) verschiebbar das
Führungsteil 46 bewegbar gelagert. Mit diesen Einrichtungen kann somit das Führungsteil
46 in x- und y-Richtung parallelverschoben und in tund @-Richtung gekippt
werden. An dem so im Raum ausrichtbaren Führungsteil 46 ist mittels einer Schwalbenschwanzführung
84 mit Zahnstangenantrieb 85 und Drehknopf 86 die rohrförmige Halterung 44 für Blende
und Zwischenlinse in Achsrichtung (z-Richtung) verschiebbar gelagert. In diese durch
einen Rohransatz 44a verlängerte Halterung 44 ist (vgl.
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Fig. 2) von der einen Seite her ein Rohr 88 als Träger der Zwischenlinse
41 eingeschoben, so daß es in Achsrichtung (z-Richtung) verschoben und mittels einer
Schraube 89 festgestellt werden kann. Je nach der Brennweite der verwendeten Zwischenlinse
41 (von der wiederum die Größe des Laserstrahl-Brennflecks abhängt) kann das Rohr
88 gegen andere Rohre ausgewechselt werden, in denen eine Zwischenlinse 41 mit anderer
Brennweite
an anderer Stelle, z.B. an dem in Fig. 2 rechten Ende des Rohrs 88, angeordnet ist.
Auch kann ein ein Justierspiegelplättchen 7 tragendes Paß stück ein- oder aufgesteckt
werden.
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Am anderen Ende der rohrförmigen Halterung 44 sitzt die Blende 42
als Wechselteil (für die Verwendung von Blenden verschiedenen Durchmessers) in einer
Halterung 90, die mit Spiel in einer erweiterten Ausnehmung 91 der Halterung 44
sitzt, durch einen Überwurfring 93 gesichert ist und durch zwei Schrauben 94 und
95 gegen die Wirkung einer in die Ausnehmung 91 eingelegten Blattfeder 96 in der
x- und y-Richtung verschoben werden kann, um die Blende 42 auf die optische Achse
zu zentrieren.