DE3918412A1

DE3918412A1 - Scanning microscope for transmitted light and reflected light

Info

Publication number: DE3918412A1
Application number: DE19893918412
Authority: DE
Inventors: Guenter Schoeppe
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1988-08-03
Filing date: 1989-06-06
Publication date: 1990-02-08
Also published as: DD274691A1

Abstract

The scanning microscope for transmitted light and reflected light has, seen in the direction of light, both before and behind a beam scanning device 4 one polarisation-optical beam splitter 5 and 6, it being possible for the rear beam splitter 6 to be switched in and out of the beam path. One lambda /4 plate (quarter-wave plate) 16 and 17 is arranged in each of the two beam paths directly downstream of the beam splitter 6. In the beam path of the scanning microscope there are furthermore provided two objectives 8; 9 and 25; 26 which are centred with respect to one another and symmetrically arranged with respect to the object plane 18. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Rastermikroskop für Durch- und Auflicht, welches mit einer Laserlichtquelle ausgerüstet ist und insbesondere zur Untersuchung feinster Strukturen und kontrastarmer Objekte auf allen Gebieten der Mikroskopie Anwendung findet. Hierzu gehören insbesondere die Gentechnologie, Immunologie, Halbleiterforschung und -techno logie und andere Gebiete.The invention relates to a scanning microscope for through and Incident light, which is equipped with a laser light source and especially for examining the finest structures and low-contrast objects in all areas of microscopy Application. This includes in particular the Genetic engineering, immunology, semiconductor research and technology logic and other areas.

Für konvokale Rastermikroskopanordnungen die gleich gut für Auf- und Durchlichtuntersuchungen geeignet sein sollen, muß die extreme Forderung, daß ein erster Laserfokus und ein sogenannter kohärenter Empfänger auf Bruchteile des Auflösungsvermögens des Mikroskopes fest miteinander über lange Zeiträume zentriert bleiben müssen, ständig erfüllt sein.For convocal scanning microscope arrangements which are equally good for Incident and transmitted light examinations must be suitable the extreme requirement that a first laser focus and a so called coherent receiver on fractions of the Resolving power of the microscope long periods of time must be centered, always fulfilled be.

Für einen reinen Auflichtbetrieb lassen sich derartige Mikroskopanordnungen dadurch realisieren, daß von der Umkehrbarkeit der Lichtwege Gebrauch gemacht und das am Objekt reflektierte Licht bis kurz vor dem kohärenten Empfänger auf demselben Wege zurückgeführt wird, den das be leuchtende Licht durchlaufen hat. Auf diese Weise kompensieren sich alle Instabilitäten des Strahlenganges, und das zurückkehrende Licht trifft immer zentrisch den ko härenten Empfänger (DE-PS 30 37 983 und EP-PS 01 67 410).For a pure incident light operation, such Realize microscope arrangements in that the Reversibility of the light paths made use of and Object reflected light until just before the coherent Recipient is returned in the same way that the be has gone through shining light. In this way compensate all instabilities of the beam path, and the returning light always hits the center of the knockout inherent receiver (DE-PS 30 37 983 and EP-PS 01 67 410).

Konvokale Durchlicht-Rastermikroskope haben sich wegen der technischen Schwierigkeiten bisher nicht durchgesetzt. Eine derartige Anordnung ist in der EP-PS 01 68 983 beschrieben und arbeitet mit einem sogenannten Objektscanning. Die extremen Anforderungen an die Dynamik des Objektscanners erlauben nur die Untersuchung in einem relativ eng begrenzten Massenbereich, so daß derartige Einrichtungen nicht universell eingesetzt werden können.Convocal transmitted light scanning microscopes have changed because of the technical difficulties have not yet been enforced. A Such an arrangement is described in EP-PS 01 68 983 and works with a so-called object scanning. The extreme demands on the dynamics of the object scanner allow only the investigation in a relatively narrowly limited Mass range so that such facilities are not can be used universally.

Es ist eine Mikroskopanordnung vorgeschlagen worden, bei welcher zwar Durch- und Auflicht-Objektscanning unter Verwendung ein und desselben Scanners durchgeführt werden können, es ist aber dazu ein sehr komplizierter, in zwei Achsen arbeitender Scanner erforderlich. Dabei durchläuft der Abbildungsstrahlengang über die gesamte Länge (bis auf das Objektiv bei Auflicht) andere Wege als das beleuchtende Licht. Daraus ergeben sich weiterhin extreme Anforderungen an die Stabilität des gesamten Aufbaus.A microscope arrangement has been proposed which though transmitted and reflected light object scanning under Using the same scanner can, but it's a very complicated one, in two Axis scanner required. The runs through Imaging beam path over the entire length (except for the Lens with incident light) other ways than the illuminating Light. This continues to result in extreme requirements the stability of the entire structure.

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und den Aufbau der für Durch- und für Auflicht verwendbaren Rastermikroskope zu vereinfachen und deren Gebrauchswert zu erhöhen.It is the object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art Eliminate technology and the structure of for through and for Simplifying scanning microscopes that can be used with incident light to increase their use value.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rastermikroskop für Durch- und Auflicht zu schaffen, bei dem unabhängig von der Beleuchtungsart die gleiche normale, prinzipiell bekannte Scanneranordnung benutzt werden kann und bei der der Abbildungsstrahlengang für beide Beleuchtungsarten über die maximale Anzahl von optischen Bauelementen denselben Weg in entgegengesetzter Richtung durchläuft wie das beleuchtende Licht.The invention has for its object a scanning microscope to create for transmitted and reflected light, in which independently of the same type of lighting, known in principle Scanner arrangement can be used and in which the Imaging beam path for both types of lighting over the maximum number of optical components the same way in runs in the opposite direction like the illuminating one Light.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einen Rastermikroskop für Durch- und Auflicht mit einem Laser als Lichtquelle, dessen Strahlung in einem vorgegebenen Azimut polarisiert ist, mit einer, vor einem fotoelektrischen Empfänger konfokal zur Objektebene angeordneten Blende, mit einer Strahl- Scanning-Einrichtung und zwei gegeneinander symmetrisch zur Objektebene angeordneten, zur optischen Achse zentrierten Objektiven sowie mit, im das Objekt beleuchtenden und im zu rückgeführten Strahlengang angeordneten Umlenkelementen, da durch gelöst,
daß, in Lichtrichtung gesehen, vor der Strahl-Scanning- Einrichtung ein erster und hinter der Strahl-Scanning- Einrichtung ein zweiter polarisationsoptischer Strahlenteiler und hinter den beiden Lichtaustrittsflächen des zweiten Strahlenteilers je eine λ/4-Platte vorgesehen sind,
daß in den, durch den zweiten Strahlenteiler erzeugten Lichtwegen den Polarisationszustand der Strahlenbündel nur unwesentlich beeinflussende Umlenkelemente derart angeordnet sind, daß die beiden, den zweiten Strahlenteiler passierenden Strahlenbündel auf demselben optischen Wege gegenläufig durch die Objektive geführt werden,
und daß der zweite polarisationsoptische Strahlenteiler in den Strahlengang ein- und ausschaltbar ist.According to the invention, this object is achieved with a scanning microscope for transmitted and incident light with a laser as the light source, the radiation of which is polarized in a predetermined azimuth, with an aperture arranged in front of a photoelectric receiver confocal to the object plane, with a beam scanning device and two against one another Lenses arranged symmetrically to the object plane, centered on the optical axis, and with deflection elements arranged in the object illuminating and in the beam path to be returned, as solved by
that, seen in the direction of light, a first polarization-optical beam splitter is provided in front of the beam scanning device and a second polarization-optical beam splitter behind the beam scanning device and a λ / 4 plate is provided behind the two light exit surfaces of the second beam splitter ,
that deflection elements which only have an insignificant effect on the polarization state of the beam bundles are arranged in the light paths generated by the second beam splitter such that the two beam bundles passing through the second beam splitter are guided in opposite directions through the lenses on the same optical path,
and that the second polarization-optical beam splitter can be switched on and off in the beam path.

Mit dieser Einrichtung wird erreicht, daß mit wenigen optischen Bauelementen und unabhängig von der Beleuchtungsart der Abbildungsstrahlengang über die maximale Anzahl von Bauelementen denselben Weg in entgegengesetzter Richtung durchläuft wie das beleuchtende Lichtbündel im Beleuchtungs strahlengang. Diese Einrichtung bietet ferner den Vorteil, daß durch den Azimut der Polarisationsebene beleuchtendes und von Objekt beeinflußtes Licht unterschieden sind und durch den ersten Strahlenteiler kurz vor der konfokal zur Objektebe ne angeordneten Blende voneinander getrennt werden können, wobei wesentliche Teile des Strahlenganges gemeinsam von beleuchtendem und beeinflußtem Licht durchlaufen werden, so daß Instabilitäten in diesem Teil der Einrichtung sich nicht nachteilig auswirken. Damit werden auch die Stabilitäts- und Justieranforderungen der Einrichtung auf ein Minimum reduziert. With this device it is achieved that with a few optical components and regardless of the type of lighting the imaging beam path over the maximum number of Components the same way in the opposite direction runs like the illuminating bundle of light in the lighting beam path. This facility also has the advantage that illuminating and by the azimuth of the polarization plane light influenced by the object are differentiated by the first beam splitter just before the confocal to the object ne arranged aperture can be separated from each other, with essential parts of the beam path shared by illuminating and influenced light, so that instabilities in this part of the facility are not adversely affect. This also increases the stability and Adjustment requirements of the device reduced to a minimum.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigtThe invention is based on an exemplary embodiment are explained in more detail. In the drawing shows

Fig. 1 schematisch den Strahlengang der Einrichtung und Fig. 1 shows schematically the beam path of the device and

Fig. 2 eine weitere Variante der Strahlenführung nach der Strahl-Scanning-Einrichtung. Fig. 2 shows a further variant of the beam guidance after the beam scanning device.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein, in einem vorgegebenen Azimut polarisierter Laserstrahl, der aus einem, als Lichtquelle dienenden Laser 1 austritt, durch eine Linse 2 in der Ebene 3 fokussiert. In Lichtrichtung gesehen vor einer nachgeordneten Strahl-Scanning-Einrichtung 4 sind ein erster polarisationsoptischer Strahlenteiler 5 und nach der Strahl- Scanning-Einrichtung 4 ein zweiter polarisationsoptischer Strahlenteiler 6 im Strahlengang des Rastermikroskopes vorgesehen, wobei der erste Strahlenteiler 5 so orientiert ist, daß der Polarisationsazimut des durchgelassenen Strahles oder Strahlenbündels mit dem des Lasers 1 übereinstimmt und demzufolge das Licht den Strahlenteiler 5 ungehindert passie ren kann. Eine Linse 7 bildet die Ebene 3 wieder ins Unendliche ab. Ferner weiten die Linsen 2 und 7 das den Laser 1 verlassende Strahlenbündel auf den erforderlichen Durchmes ser auf. In der Strahl-Scanning-Einrichtung 4 wird das Strah lenbündel je nachdem, welchen Bildpunkt es in der Objektebene 7 der beiden Objektive 8 und 9 treffen soll, um den erforder lichen Winkel mit bekannten Mitteln, wie Schwingspiegel, Planparallelplatte oder ähnlichen Elementen, abgelenkt. Eine Tubuslinie 10 bildet den in der Strahl-Scanning-Einrichtung 4 entstandenen Laserfokus ins Unendliche ab.As shown in FIG. 1, a laser beam polarized in a predetermined azimuth, which emerges from a laser 1 serving as a light source, is focused in plane 3 by a lens 2 . Viewed in the light direction in front of a downstream beam scanning device 4 , a first polarization-optical beam splitter 5 and after the beam scanning device 4 a second polarization-optical beam splitter 6 are provided in the beam path of the scanning microscope, the first beam splitter 5 being oriented such that the polarization azimuth of the transmitted beam or bundle of rays coincides with that of the laser 1 and consequently the light can pass the beam splitter 5 unimpeded. A lens 7 forms the plane 3 again in infinity. Furthermore, the lenses 2 and 7 expand the beam 1 leaving the laser to the required diameter. In the beam scanning device 4 , the beam is deflected depending on which pixel it should hit in the object plane 7 of the two lenses 8 and 9 by the required angle using known means, such as an oscillating mirror, plane parallel plate or similar elements. A tube line 10 images the laser focus created in the beam scanning device 4 to infinity.

Bei der Beleuchtung eines in der Objektebene 18 liegenden Objektes im Durchlicht durchsetzt das beleuchtende Strahlenbündel den zweiten Strahlenteiler 6, dessen Transmissionsazimut mit dem Polarisationsazimut des beleuch tenden Strahlenbündels übereinstimmt, nahezu verlustlos und gelangt über ein Umlenkelement 11 in das Objektiv 8 und wird in der Objektebene 7 fokussiert. Durch das Objektiv 9 wird der in der Objektebene 18 fokussierte Laserfokus wieder ins Unendliche abgebildet. Die beiden Objektive 8 und 9 sind gegeneinander symmetrisch zur Objektebene 18 und zur opti schen Achse 12 zentriert in Strahlengang angeordnet. Über ein, dem Objektiv 9 nachgeordnetes Umlenkelement 13 gelangt das Strahlenbündel wieder in den Strahlenteiler 6, hinter dessen beiden Austrittsflächen 14 und 15 je eine λ/4-Platte 16 und 17 angeordnet ist. Durch die beiden λ/4-Platten 16 und 17 oder durch eine einzige, am Ort der λ/4-Platte 17 angeordnete λ/2-Platte (in Fig. 1 und 2 nicht dargestellt) wird in bekannter Weise der Polarisationsazimut des betreffenden Strahlenbündels um 90° gedreht, so daß das in den zweiten Strahlenteiler 6 eintretende Strahlenbündel in dem Azimut schwingt, in dem es optimal reflektiert wird. Über die Tubuslinie 10, die Strahl-Scanning-Einrichtung 4 und die Linse 7 gelangt das in der Polarisationsebene um 90° zum beleuchtenden Strahlenbündel gedrehte Licht in den ersten Strahlenteiler 5 und wird dort optimal in Richtung einer zur Ebene 3 konjugierten Punktblende 19 umgelenkt. In der Ebene dieser Punktblende 19, die vorteilhaft unmittelbar vor einem fotoelektrischen Empfänger 20 angeordnet ist, kommt ein orts fester Laserfokus zustande, dem Informationen von der, in der Objektebene 18 durchstrahlten Objektstelle aufgeprägt sind. Durch den Empfänger 20 werden elektrische Signale erzeugt, aus denen die Informationen über das Objekt gewonnen werden können. Sind die Objektive 8 und 9 zueinander zentriert und zur Objektebene 18 fokussiert und die Umlenkelemente 11 und 13 symmetrisch zur Objektebene 18 geneigt, so durchläuft das vom Objekt beeinflußte Licht in den Bauteilen 4; 5; 6; 7 und 10 denselben optischen Weg wie das Licht des beleuchtenden Strahlenbündels.When illuminating an object lying in the object plane 18 in transmitted light, the illuminating beam bundle passes through the second beam splitter 6 , whose transmission azimuth corresponds to the polarization azimuth of the illuminating beam bundle, almost losslessly and reaches the objective 8 via a deflection element 11 and becomes in the object plane 7 focused. The laser focus focused in the object plane 18 is again imaged to infinity by the objective 9 . The two lenses 8 and 9 are mutually symmetrical to the object plane 18 and the optical axis 12 centered in the beam path. The beam arrives again in the beam splitter 6 via a deflecting element 13 arranged downstream of the objective 9 , behind which two λ / 4 plates 16 and 17 are arranged behind the two exit surfaces 14 and 15 . By means of the two λ / 4 plates 16 and 17 or by means of a single λ / 2 plate (not shown in FIGS. 1 and 2) arranged at the location of the λ / 4 plate 17 , the polarization azimuth of the beam in question is known rotated by 90 ° so that the beam entering the second beam splitter 6 vibrates in the azimuth in which it is optimally reflected. Via the tube line 10 , the beam scanning device 4 and the lens 7 , the light rotated in the polarization plane by 90 ° to the illuminating beam arrives in the first beam splitter 5 and is optimally deflected there in the direction of a point diaphragm 19 conjugated to the plane 3 . In the plane of this point diaphragm 19 , which is advantageously arranged directly in front of a photoelectric receiver 20 , a fixed laser focus is created, to which information from the object location irradiated in the object plane 18 is impressed. Electrical signals are generated by the receiver 20 , from which the information about the object can be obtained. If the objectives 8 and 9 are centered on one another and focused on the object plane 18 and the deflection elements 11 and 13 are inclined symmetrically to the object plane 18 , the light influenced by the object passes through the components 4; 5; 6; 7 and 10 the same optical path as the light from the illuminating beam.

Bei der Beleuchtung des in der Objektebene 18 angeordneten Objektes im Auflicht wird der zweite Strahlenteiler 6, der in Lichtrichtung hinter der Strahl-Scanning-Einrichtung 4 angeordnet ist, aus dem Strahlengang herausgenommen, so daß das die Einrichtung verlassende, die Tubuslinse 10 und die λ/4-Platte 16 passierende Strahlenbündel über das Umlenkelement 11 durch das Objektiv 8 in der Objektebene 18 fokussiert wird. Das vom Objekt reflektierte Strahlenbündel durchläuft in entgegengesetzter Richtung wieder das Objektiv 8, wird am Umlenkelement 11 reflektiert und passiert abermals die λ/4-Platte 16. Damit ist seine Polarisationsebene, wie für den Fall der Beleuchtung im Durchlicht beschrieben, um 90° gedreht, und das zurückkehrende Strahlenbündel kann an dem polarisationsoptischen ersten Strahlenteiler 5 optimal in Richtung der Punktblende 19 und des Empfängers 20 reflektiert werden.When illuminating the object arranged in the object plane 18 in incident light, the second beam splitter 6 , which is arranged behind the beam scanning device 4 in the light direction, is removed from the beam path, so that the tube lens 10 and the λ leaving the device / 4-plate 16 passing beams are focused via the deflection element 11 through the lens 8 in the object plane 18 . The beam of rays reflected by the object passes through the objective 8 again in the opposite direction, is reflected at the deflection element 11 and passes again through the λ / 4 plate 16 . Thus, its polarization plane, as described for the case of illumination in transmitted light, is rotated by 90 °, and the returning beam can be optimally reflected on the polarization-optical first beam splitter 5 in the direction of the spot aperture 19 and the receiver 20 .

Fig. 2 zeigt den Strahlengang eines Rastermikroskopes nach der Strahl-Scanning-Einrichtung 4 und der Tubuslinse 10, der in Lichtrichtung ein polarisationsoptischer Strahlenteiler 21 und ein 90°-Umlenkprisma 22 im Strahlengang folgen. Über Umlenkelemente 23 und 24 und einer λ/4-Platte 27, die das Licht jeweils um 90°, wird im Durchlicht das Strahlenbündel durch das Objektiv 25 in der Objektebene 18 fokussiert. Das vom Objekt beeinflußte Strahlenbündel gelangt über das Objektiv 26, über die Umlenkelemente 28 und 29 und über die λ/4-Platte 30 in das Umlenkprisma 21 und wird dort durch den Strahlenteiler 21 und die bereits bei der Beschreibung der Fig. 1 genannten weiteren Bauelemente zum fotoelektrischen Empfänger 20 weitergeleitet. Auch bei dieser Anordnung sind die Objektive 25 und 26 symmetrisch zur Objektebene 18 und zueinander zentriert angeordnet. Fig. 2 shows the beam path of a scanning microscope according to the beam scanning device 4 and the tube lens 10, the light in the direction of an optical polarization beam splitter 21 and a 90 ° -Umlenkprisma 22 follow in the beam path. Via deflecting elements 23 and 24 and a λ / 4 plate 27 , which each direct the light through 90 °, the beam of rays is focused in transmitted light through the objective 25 in the object plane 18 . The beam of rays influenced by the object passes through the lens 26 , the deflection elements 28 and 29 and the λ / 4 plate 30 into the deflection prism 21 and is there by the beam splitter 21 and the other components already mentioned in the description of FIG. 1 forwarded to the photoelectric receiver 20 . In this arrangement, too, the objectives 25 and 26 are arranged symmetrically to the object plane 18 and centered on one another.

Für die Beleuchtung im Auflicht wird der Strahlenteiler 21 aus dem Strahlengang entfernt. Das Licht durchläuft dann das Umlenkprisma 22 und die λ/4-Platte 30, wird an den Umlenkelementen 28 und 29 zum Objektiv 26 hin reflektiert und trifft auf die Objektebene 18 mit dem Objekt. Das durch das Objekt beeinflußte Licht durchläuft denselben Weg in entgegengesetzter Richtung bis zum fotoelektrischen Empfänger 20 (in Fig. 2 nicht dargestellt).The beam splitter 21 is removed from the beam path for illumination in incident light. The light then passes through the deflection prism 22 and the λ / 4 plate 30 , is reflected at the deflection elements 28 and 29 towards the objective 26 and strikes the object plane 18 with the object. The light influenced by the object travels the same way in the opposite direction to the photoelectric receiver 20 (not shown in FIG. 2).

Claims

Scanning microscope for transmitted and incident light with a laser as the light source, the radiation of which is polarized in a predetermined azimuth, with an aperture arranged in front of a photoelectric receiver confocal to the object plane, with a beam scanning device and two mutually symmetrical to the object plane optical axis and mutually centered lenses and with deflection elements arranged in the object illuminating and in the returned beam path, characterized in that
that, seen in the direction of light, before the beam scanning device ( 4 ) a first ( 5 ) and behind the beam scanning device ( 4 ) a second polarization-optical beam splitter ( 6 ) and behind the two beam exit surfaces ( 14; 15 ) of the a second λ / 4 plate ( 16; 17 ) are provided in the second beam splitter ( 6 ),
that in the light paths generated by the second beam splitter ( 6 ) the deflection elements ( 11; 13 ), which have only an insignificant effect on the polarization state of the beam, are arranged in such a way that the two beams passing through the second beam splitter ( 6 ) run in opposite directions through the lenses in the same optical path ( 8; 9 ) are performed,
and that the second polarization-optical beam splitter ( 6 ) can be switched on and off in the beam path.