EP1644765A1 - Light source with a microstructured optical element and microscope with a light source - Google Patents

Light source with a microstructured optical element and microscope with a light source

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Publication number
EP1644765A1
EP1644765A1 EP04766239A EP04766239A EP1644765A1 EP 1644765 A1 EP1644765 A1 EP 1644765A1 EP 04766239 A EP04766239 A EP 04766239A EP 04766239 A EP04766239 A EP 04766239A EP 1644765 A1 EP1644765 A1 EP 1644765A1
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EP
European Patent Office
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light
light source
microscope
optics
optical element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04766239A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Kyra MÖLLMANN
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Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems Heidelberg GmbH
Leica Microsystems CMS GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Leica Microsystems Heidelberg GmbH, Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems Heidelberg GmbH
Publication of EP1644765A1 publication Critical patent/EP1644765A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/421—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms the intermediate optical component consisting of a short length of fibre, e.g. fibre stub
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
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    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295—Microstructured optical fibre

Definitions

  • the invention relates to a light source with a microstructured optical element that spectrally broadened the light from a primary source, and with an optic that forms the spectrally broadened light into an illuminating light beam.
  • the invention relates to a microscope that includes a light source with a microstructured optical element that spectrally broadens the light from a primary source and with optics that form the spectrally broadened light into an illuminating light beam.
  • the patent US 6,097,870 discloses an arrangement for generating a broadband spectrum in the visible and infrared spectral range.
  • the arrangement is based on a microstructured fiber into which the light from a pump laser is coupled.
  • the pump light is broadened in the microstructured fiber by nonlinear effects.
  • So-called photonic band gap material or "photon crystal fibers”, “holey fibers” or “microstructured fibers” are also used as microstructured fibers. Refinements are also known as so-called “hollow fibers”.
  • Another arrangement for generating a broadband spectrum is shown in US Pat Publication by Birks et al .: “Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt.Lett. Vol. 25, pJ415 (2000).
  • a conventional optical fiber with a fiber core is used which has a taper at least along a section
  • Optical fibers of this type are known as so-called “tapered fibers”.
  • Biological tissue or, for example, prepared with fluorescent dyes are used as samples
  • the illuminating light reflected from the sample is often detected, and solid-state lasers and dye lasers, as well as fiber lasers and optical parametric oscillators (OPO), which are preceded by a pump laser, are also frequently used.
  • OPO optical parametric oscillators
  • the object is achieved by a light source which is characterized in that the optics compensate for the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light.
  • the light source according to the invention advantageously generates an illuminating light beam, the light of which can be collimated simultaneously for all of its spectral components. This has an extremely favorable effect, particularly in scanning microscopy, since it is of crucial importance that all spectral components of the illuminating light beam find their focus in the sample plane to be observed.
  • the optics have a different focal length for light-different wavelengths. It is sufficient for many applications that the optics take into account and correct a linear dependence of the divergence on the wavelength in the first order. For highly specialized applications, the optics are preferably adapted exactly to the spectral properties of the microstructured fiber.
  • the optics focus the shorter-wave spectral components of the spectrally broadened light more than the longer-wave spectral components of the spectrally broadened light.
  • the microstructured optical element preferably contains photonic band-gab material and is additionally preferably configured as an optical fiber (photonic crystal fiber PCS; Holey fiber, etc.).
  • the microstructured optical element designed as an optical fiber has a tapered fiber.
  • an aperture is provided which blocks out the marginal rays of the spectrally broadened light.
  • This aperture takes into account the effect that, with increasing wavelength, more light enters the cladding of the microstructured optical fiber, which is visible at the output of the microstructured optical fiber, even though the light output portion of this light is significantly less than that of the spectrally broadened, which emerges directly from the core light.
  • the optics preferably have the spectrally broadened light Illumination light beam forms a suitable aperture.
  • the optics are part of a microscope, in particular a scanning microscope or a confocal scanning microscope. It is particularly advantageous if the optics are designed as lenses.
  • the light source according to the invention can also be used, for example, in a flow cytometer or an endoscope or a chromatograph or a lithography device.
  • the microstructured optical element is constructed from a multiplicity of microoptical structural elements which have at least two different optical densities.
  • the optical element includes a first region and a second region, the first region having a homogeneous structure and a microscopic structure formed from micro-optical structure elements in the second region. It is also advantageous if the first area encloses the second area.
  • the micro-optical structural elements are preferably cannulas, webs, honeycombs, tubes or cavities.
  • the microstructured optical element consists of glass or plastic material and cavities arranged side by side.
  • the variant in which the microstructured optical element consists of photonic band gap material and is designed as an optical fiber is particularly preferred.
  • An optical diode is preferably provided between the laser and the optical fiber, which suppresses back reflections of the light beam which originate from the ends of the optical fiber.
  • a very particularly preferred and easy-to-implement embodiment variant includes, as a microstructured optical element, a conventional optical fiber with a fiber core diameter of approximately 9 ⁇ m, which has a taper at least along a section.
  • Optical fibers of this type are known as so-called “tapered fibers”.
  • the optical fiber is a total of 1 m long and has a taper over a length of 30 mm to 90 mm.
  • the diameter of the entire fiber in the region of the taper is approximately 2 ⁇ m.
  • Fig. 2 shows the beam path of spectrally broadened light without
  • FIG. 5 shows a further light source according to the invention and FIG. 6 shows a confocal scanning microscope according to the invention.
  • the microstructured optical fiber 5 widens the light 7 of a primary light source 9, which is designed as a pulse laser 11.
  • a primary light source 9 which is designed as a pulse laser 11.
  • an optical system 13 which forms the spectrally broadened light into an illuminating light beam 15, the optical system 13 compensating for the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light which emerges from the microstructured optical fiber 5.
  • a focusing optics 17 which focuses the light of the primary light source onto the entry end of the microstructured optical fiber 5.
  • the components are located in a housing 19. 2 shows an example of the course of a first light bundle 21 from the red spectral range and a second light bundle 23 from the blue spectral range of the spectrally broadened light as it emerges from a microstructured optical fiber 5.
  • the microstructured optical fiber 5 has a cladding 25 and a fiber core 27 , It can also be seen schematically that the first light bundle 21 partly exits from the red spectral range from the cladding 25, while the second light bundle 23 essentially emerges from the fiber core from the blue spectral range.
  • the optics preferably also compensate for this fact of afocality.
  • FIG. 3 shows an arrangement according to the prior art, in which the optics 13 are designed as achromatic optics 29 for shaping an illuminating light beam 15. While the second light bundle 23, which contains light from the blue spectral range, is collimated by the achromatic optics 29, the light from the first light bundle 21, which contains light from the red spectral range, is disadvantageously focused. The two light beams 21, 23 consequently do not simultaneously form a parallel beam and therefore only an illuminating light beam of reduced optical beam quality.
  • FIG. 3 shows an arrangement according to the prior art, in which the optics 13 are designed as achromatic optics 29 for shaping an illuminating light beam 15. While the second light bundle 23, which contains light from the blue spectral range, is collimated by the achromatic optics 29, the light from the first light bundle 21, which contains light from the red spectral range, is disadvantageously focused. The two light beams 21, 23 consequently do not simultaneously form a parallel beam and therefore only an illuminating light beam of reduced optical beam quality.
  • FIG. 4 illustrates the course of the first light bundle 21, which contains light from a red spectral component, and of the second light bundle 23, which contains light from a blue spectral component, when using an optical system 13, which performs optical system 31 that is matched to the spectral properties of the microstructured optical optical fiber 5 is.
  • both the first light bundle 21, which contains light from the red spectral range of the spectrally dispersed light, and the light of the second light bundle 23, which contains light from the blue spectral range of the spectrally broadened light run collimated parallel to one another and form one Illuminating light beam with perfect optical beam properties.
  • FIG. 5 shows an embodiment variant of the light source in which a variable diaphragm 33 is provided in order to block out the light emerging from the cladding 25 of the microstructured optical element 3.
  • FIG. 6 shows a scanning microscope according to the invention, which is designed as a confocal scanning microscope.
  • the illuminating light beam 15 emanating from a light source 1 with a microstructured optical element not shown in this figure is focused by the lens 35 onto the illuminating pinhole 37 and then arrives at the main beam splitter 39, which directs the illuminating light beam 15 to the beam deflecting device 41, which has a gimbal-mounted scanning mirror 43 includes, directs.
  • the beam deflection device 41 guides the illuminating light beam 15 through the scan lens 45 and the tube lens 47 as well as through the objective 49 over or through the sample 51.
  • the detection light 53 emanating from the sample arrives in the reverse light path , namely through the lens 49, the tube lens 47 and through the scan lens 45 back to the beam deflection device 41 and to the main beam splitter 39, passes this and after passing through the detection pinhole 55 reaches the detector 57, which is designed as a multiband detector 59.
  • the detection light is detected in various spectral detection channels and electrical signals proportional to the power are generated, which are forwarded to a processing system (not shown) for displaying an image of the sample 51.

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Abstract

A light source with a microstructured optical element which spectrally diffuses the light from a primary source, comprises a lens which focusses the spectrally-diffused light to give an illumination light beam. The lens compensates for the varying divergences of the spectral components of the spectrally diffused light. The invention further relates to a microscope.

Description

Lichtquelle mit einem mikrastruktunerten optischen Element und Mikroskop mit Lichtquelle Light source with a microscopic optical element and microscope with light source
Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, und mit einer Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt.The invention relates to a light source with a microstructured optical element that spectrally broadened the light from a primary source, and with an optic that forms the spectrally broadened light into an illuminating light beam.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Mikroskop, das eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, und mit einer Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt, beinhaltet.In addition, the invention relates to a microscope that includes a light source with a microstructured optical element that spectrally broadens the light from a primary source and with optics that form the spectrally broadened light into an illuminating light beam.
Die Patentschrift US 6,097,870 offenbart eine Anordnung zur Generierung eines Breitbandspektrums im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. DieThe patent US 6,097,870 discloses an arrangement for generating a broadband spectrum in the visible and infrared spectral range. The
Anordnung basiert auf einer mikrostru turierten Faser, in die das Licht eines Pumplasers eingekoppelt wird. Das Pumplicht wird in der mikrostrukturierten Faser durch nichtlineare Effekte verbreitert. Als mikrostrukturierte Faser findet auch sog. Photonic-Band-Gap-Material oder "photon crystal fibres", „holey fibers" oder „microstruetured fibers" Verwendung. Es sind auch Ausgestaltungen als sog. „Hollow fiber" bekannt. Eine weitere Anordnung zur Generierung eines Breitbandspektrums ist in der Veröffentlichung von Birks et al.: „Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt.Lett. Vol. 25, pJ415 (2000), offenbart. In der Anordnung wird eine herkömmliche Lichtleitfaser mit einem Faserkern, die zumindest entlang eines Teilstücks eine Verjüngung aufweist verwendet. Lichtleitfasern dieser Art sind als sog. „tapered fibers" bekannt.The arrangement is based on a microstructured fiber into which the light from a pump laser is coupled. The pump light is broadened in the microstructured fiber by nonlinear effects. So-called photonic band gap material or "photon crystal fibers", "holey fibers" or "microstructured fibers" are also used as microstructured fibers. Refinements are also known as so-called “hollow fibers”. Another arrangement for generating a broadband spectrum is shown in US Pat Publication by Birks et al .: "Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt.Lett. Vol. 25, pJ415 (2000). In the arrangement, a conventional optical fiber with a fiber core is used which has a taper at least along a section Optical fibers of this type are known as so-called “tapered fibers”.
Insbesondere in der Mikroskopie, der Endoskopie, der Flußzytometrie, der Chromatographie und in der Lithographie sind zur Beleuchtung der Objekte universelle Beleuchtungseinrichtungen mit hoher Leuchtdichte wichtig. In der Scanmikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl abgerastert. Hierzu werden oft Laser als Lichtquelle eingesetzt. Aus der EP 0 495 930: „Konfokales Mikroskopsystem für Mehrfarbenfluoreszenz" ist beispielsweise ein Anordnung mit einem einzelnen mehrere Laserlinien emittierenden Laser bekannt. Derzeit werden hierfür meist Mischgaslaser, insbesondere ArKr- Laser, eingesetzt. Als Probe werden beispielsweise mit Fluoreszenzfarbstoffen präparierte, biologische Gewebe oder Schnitte untersucht. Im Bereich der Materialuntersuchung wird oft das von der Probe reflektierte Beleuchtungslicht detektiert. Auch Festkörperlaser und Farbstofflaser, sowie Faserlaser und Optisch-Parametrische-Oszillatoren (OPO), denen ein Pumplaser vorgeordnet ist, werden häufig verwendet. Aus der Offenlegungsschrifl DE 101 15 488 A1 ist eine Vorrichtung zur Beleuchtung eines Objekts, die ein mikrostrukturiertes optisches Element beinhaltet, das das Licht eines Lasers spektral verbreitert, bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt. Außerdem ist in der Offenlegungsschrift die Verwendung der Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Mikroskop, insbesondere in einem Seanmlkroskop, offenbart.In particular in microscopy, endoscopy, flow cytometry, chromatography and lithography, universal lighting devices with high luminance are important for illuminating the objects. In scanning microscopy, a sample is scanned with a light beam. Lasers are often used as light sources for this. From EP 0 495 930: "Confocal microscope system for multicolor fluorescence", for example, an arrangement with a single laser emitting several laser lines is known. Currently, mostly mixed gas lasers, in particular ArKr lasers, are used for this. Biological tissue or, for example, prepared with fluorescent dyes are used as samples In the field of material analysis, the illuminating light reflected from the sample is often detected, and solid-state lasers and dye lasers, as well as fiber lasers and optical parametric oscillators (OPO), which are preceded by a pump laser, are also frequently used. From publication DE 101 15 488 A1 discloses a device for illuminating an object which includes a microstructured optical element which spectrally broadened the light from a laser, the device comprising an optical system which forms the spectrally broadened light into an illuminating light beam he publication discloses the use of the device for illumination in a microscope, in particular in a microscope.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere mehrfarbige Beleuchtungslichtstrahlen, die aus Lichtquellen stammen, die mikrostrukturiertes optisches Material, insbesondere mikrostrukturierte optische Fasern beinhalten, aufgrund schlechter Strahleigenschaüen nur eingeschränkt verwendbar sind. Insbesondere in der Mikroskopie werden bei Verwendung derartiger Beleuchtungslichtstrahlen oft mangelhafte Ergebnisse erzielt.It has been shown that, in particular, multicolored illuminating light beams that come from light sources that contain microstructured optical material, in particular microstructured optical fibers, can only be used to a limited extent due to poor beam properties. In microscopy in particular, poor results are often obtained when using such illuminating light beams achieved.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturiertem optischen Element anzugeben, die einen Beleuchtungslichtstrahl erzeugt, der unabhängig von den in ihm enthaltenen spektralen Anteilen eine gute Strahlqualität aufweist.It is therefore the object of the present invention to provide a light source with a microstructured optical element which generates an illuminating light beam which has a good beam quality regardless of the spectral components contained therein.
Die Aufgabe wird durch eine Lichtquelle gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Optik die unterschiedlichen Divergenzen der Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes kompensiert.The object is achieved by a light source which is characterized in that the optics compensate for the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Mikroskop, das eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element beinhaltet, anzugeben, mit dem auch bei Mehrfarbbeleuchtung gute Abbildungsergebnisse erzielbar sind.It is a further object of the invention to provide a microscope that contains a light source with a microstructured optical element, with which good imaging results can be achieved even with multicolor illumination.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikroskop gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Optik die unterschiedlichen Divergenzen der Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes kompensiert. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die mangelhafte Strahlqualität bei denen aus dem Stand der Technik bekannten Lichtquellen mit mikrostrukturiertem optischem Material darauf zurückzuführen ist, dass die Leuchtkegel der verschiedenen spektralen Anteile des spektral verbreiterten Lichts beim Austritt aus dem mikrostrukturierten optischen Material eine unterschiedliche Differenz aufweisen. Während bei "herkömmlichen Glasfasern (Step-Index-Fasern) die Divergenz für alle Wellenlängen in erster Ordnung weitgehend gleich ist, ist die Divergenz bei mikrostrukturierten Fasern umso größer, je höher die Wellenlänge des jeweiligen spektralen Anteils ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Löcher in der Ummantlung (dem Cladding) den für die jeweilige Wellenlänge effektiven Brechungsindex und auch die Dispersion modifizieren. Bei kurzen Wellenlängen dringt nur ein geringer Anteil des elektrischen Feldes in die Löcher ein, so dass der Brechungsindex im Cladding nahezu dem von dem Fasermaterial (in der Regel reinem Quarz) entspricht. Bei längen Wellenlängen dringt das elektrische Feld weit in die Region der Löcher ein, wodurch der effektive Brechungsindex stark reduziert ist. Dieser Effekt ist abhängig von der Lochgröße und den Abständen der Löcher.This object is achieved by a microscope, which is characterized in that the optics compensate for the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light. According to the invention, it was recognized that the poor beam quality in the light sources with microstructured optical material known from the prior art is due to the fact that the luminous cones of the different spectral components of the spectrally broadened light have a different difference when they emerge from the microstructured optical material. While with "conventional glass fibers (step index fibers) the divergence is largely the same for all wavelengths in the first order, the divergence with microstructured fibers is greater the higher the wavelength of the respective spectral component. This is due to the fact that the Holes in the cladding modify the effective refractive index for the respective wavelength and also the dispersion. At short wavelengths, only a small proportion of the electric field penetrates into the holes, so that the refractive index in the cladding almost matches that of the fiber material (in the rule of pure quartz). At long wavelengths, the electric field penetrates far into the region of the holes, whereby the effective refractive index is greatly reduced. This effect depends on the Hole size and the spacing of the holes.
Vorteilhafterweise erzeugt die erfindungsgemäße Lichtquelle einen Beleuchtungslichtstrahl, dessen Licht für alle seine spektralen Anteile gleichzeitig kollimierbar ist. Dies wirkt sich insbesondere in der Scanmikroskopie äußerst günstig aus, da es dort von entscheidender Wichtigkeit ist, das alle spektralen Anteile des Beleuchtungslichtstrahls in der zu beobachtenden Probenebene ihren Fokus finden.The light source according to the invention advantageously generates an illuminating light beam, the light of which can be collimated simultaneously for all of its spectral components. This has an extremely favorable effect, particularly in scanning microscopy, since it is of crucial importance that all spectral components of the illuminating light beam find their focus in the sample plane to be observed.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Optik für lichtunterschiedliche Wellenlängen eine unterschiedliche Brennweite auf. Dabei ist es für viele Anwendungen ausreichend, dass die Optik in erster Ordnung eine lineare Abhängigkeit der Divergenz von der Wellenlänge berücksichtigt und korrigiert. Für hoch spezielle Anwendungen ist die Optik vorzugsweise exakt an die Spektraleigenschaften der mikrostrukturierteπ Faser angepasst.In a preferred embodiment, the optics have a different focal length for light-different wavelengths. It is sufficient for many applications that the optics take into account and correct a linear dependence of the divergence on the wavelength in the first order. For highly specialized applications, the optics are preferably adapted exactly to the spectral properties of the microstructured fiber.
Bei einer bevorzugten Ausführungsvariante der Lichtquelle fokussiert die Optik die kürzerwelligen Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichts stärker als die längerwelligen Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichts.In a preferred embodiment variant of the light source, the optics focus the shorter-wave spectral components of the spectrally broadened light more than the longer-wave spectral components of the spectrally broadened light.
Vorzugsweise beinhaltet das mikrostrukturierte optische Element Photonic- Band-Gab-Material und ist zusätzlich vorzugsweise als Lichtleitfaser ausgestaltet (Photonic-Crystal-Faser PCS; Holey fiber usw). In einer anderen Variante weist das als Lichtleitfaser ausgestaltete mikrostrukturierte optische Element eine Verjüngung (Tapered fiber) auf.The microstructured optical element preferably contains photonic band-gab material and is additionally preferably configured as an optical fiber (photonic crystal fiber PCS; Holey fiber, etc.). In another variant, the microstructured optical element designed as an optical fiber has a tapered fiber.
In einer bevorzugten Variante der Lichtquelle ist eine Blende vorgesehen, die die Randstrahlen des spektral verbreiterten Lichtes ausblendet. Diese Blende trägt dem Effekt Rechnung, dass bei zunehmender Wellenlänge mehr Licht in das Cladding der mikroslrukturierlen Lichtleitfaser gelangt, was am Ausgang der mikrostrukturierten Lichtleitfaser sichtbar ist, wenn gleich der Lichtleistungsanteil dieses Lichts wesentlich geringer ist, als der des direkt aus dem Kern austretenden spektral verbreiterten Lichtes. Insbesondere beim Einsatz der Lichtquelle in einem konfokalen Rastermikroskop ist es von Vorteil, dieses Randlicht durch eine Blende herauszufiltem. Vorzugsweise weist die Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt, eine geeignete Blende auf.In a preferred variant of the light source, an aperture is provided which blocks out the marginal rays of the spectrally broadened light. This aperture takes into account the effect that, with increasing wavelength, more light enters the cladding of the microstructured optical fiber, which is visible at the output of the microstructured optical fiber, even though the light output portion of this light is significantly less than that of the spectrally broadened, which emerges directly from the core light. In particular when using the light source in a confocal scanning microscope, it is advantageous to filter out this marginal light through an aperture. The optics preferably have the spectrally broadened light Illumination light beam forms a suitable aperture.
In einer ganz bevorzugten Ausgestaltungsvariante ist die Optik Bestandteil eines Mikroskops, insbesondere eines Rastermikroskops oder eines konfokalen Rastermikroskops. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Optik als Objektiv ausgeführt ist.In a very preferred embodiment variant, the optics are part of a microscope, in particular a scanning microscope or a confocal scanning microscope. It is particularly advantageous if the optics are designed as lenses.
Die erfindungsgemäße Lichtquelle ist beispielsweise auch in einem Flußzytometer oder einem Endoskop oder einem Chromatographen oder einer Lithographievorrichtung verwendbar.The light source according to the invention can also be used, for example, in a flow cytometer or an endoscope or a chromatograph or a lithography device.
Das mikrostrukturierte optische Element ist in einer bevorzugten Ausgestaltung des Scanmikroskops aus einer Vielzahl von mikrooptischen Strukturelementen aufgebaut, die zumindest zwei unterschiedliche optische Dichten aufweisen. Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das optische Element einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich beinhaltet, wobei der erste Bereich eine homogene Struktur aufweist und in dem zweiten Bereich eine mikroskopische Struktur aus mikrooptischen Strukturelementen gebildet ist. Von Vorteil ist es außerdem, wenn der erste Bereich den zweiten Bereich umschließt. Die mikrooptischen Strukturelemente sind vorzugsweise Kanülen, Stege, Waben, Röhren oder Hohlräume.In a preferred embodiment of the scanning microscope, the microstructured optical element is constructed from a multiplicity of microoptical structural elements which have at least two different optical densities. An embodiment is very particularly preferred in which the optical element includes a first region and a second region, the first region having a homogeneous structure and a microscopic structure formed from micro-optical structure elements in the second region. It is also advantageous if the first area encloses the second area. The micro-optical structural elements are preferably cannulas, webs, honeycombs, tubes or cavities.
Das mikrostrukturierte optische Element besteht in einer anderen Ausgestaltung aus nebeneinander angeordnetem Glas- oder Kunststoffmaterial und Hohlräumen. Besonders zu bevorzugen ist die Ausführungsvariante, bei der das mikrostrukturierle optische Element aus Photonic-Band-Gap-Material besteht und als Lichtleitfaser ausgestaltet ist. Vorzugsweise ist zwischen dem Laser und der Lichtleitfaser eine optische Diode vorgesehen, die Rückreflexionen des Lichtstrahles die von, den Enden der Lichtleitfaser herrühren, unterdrückt.In another embodiment, the microstructured optical element consists of glass or plastic material and cavities arranged side by side. The variant in which the microstructured optical element consists of photonic band gap material and is designed as an optical fiber is particularly preferred. An optical diode is preferably provided between the laser and the optical fiber, which suppresses back reflections of the light beam which originate from the ends of the optical fiber.
Eine ganz besonders bevorzugte und einfach zu realisierende Ausführungsvariante beinhaltet als mikrostrukturiertes optisches Element eine herkömmliche Lichtleitfaser mit einem Faserkerndurchmesser von ca. 9 μ , die zumindest entlang eines Teilstücks eine Verjüngung aufweist. Lichtleitfasern dieser Art sind als sog. „tapered fibers" bekannt. Vorzugsweise ist die Lichtleitfaser insgesamt 1 m lang und weist eine Verjüngung auf einer Länge von 30 mm bis 90 mm auf. Der Durchmesser der gesamten Faser beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung im Bereich der Verjüngung ca. 2 μm. In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:A very particularly preferred and easy-to-implement embodiment variant includes, as a microstructured optical element, a conventional optical fiber with a fiber core diameter of approximately 9 μm, which has a taper at least along a section. Optical fibers of this type are known as so-called “tapered fibers”. Preferably the optical fiber is a total of 1 m long and has a taper over a length of 30 mm to 90 mm. In a preferred embodiment, the diameter of the entire fiber in the region of the taper is approximately 2 μm. The subject matter of the invention is shown schematically in the drawing and is described below with reference to the figures. Show:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Lichtquelle,1 shows a light source according to the invention,
Fig. 2 den Strahlverlauf von spektral verbreitertem Licht ohneFig. 2 shows the beam path of spectrally broadened light without
Optik, Fig. 3 den Strahlverlauf von spektral verbreitertem Licht mit achromatisch korrigierter Optik,3, the beam path of spectrally broadened light with achromatically corrected optics,
Fig. 4 den Strahlverlauf von spektral verbreitertem Licht in einer erfindungsgemäßeπ Lichtquelle,4 shows the beam path of spectrally broadened light in a light source according to the invention,
Fig. 5 eine weitere erfindungsgemäße Lichtquelle und Fig. 6 ein erfindungsgemäßes konfokales Rastermikroskop.5 shows a further light source according to the invention and FIG. 6 shows a confocal scanning microscope according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtquelle 1 mit einem mikrostrukturierten optischen Element 3, das als mikrostrukturierte Lichtleitfaser 5 ausgestaltet ist. Die mikrostrukturierte Lichtleitfaser 5 verbreitert das Licht 7 einer Primärlichtquelie 9, die als Pulslaser 11 ausgeführt ist. Am Ende der mikrostrukturierten Lichtleitfaser 5 befindet sich eine Optik 13, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl 15 formt, wobei die Optik 13 die unterschiedlichen Divergenzen der Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichts, das aus der mikrostrukturierten Lichtleitfaser 5 austritt, kompensiert. Zwischen der Primärlichtquelie 9 und der rnikrostruklurierten Lichtleitfaser 5 befindet sich eine Fokussieroptik 17, die das Licht der Primärlichtquelie auf das Eintrittsende der mikrostrukturierten Lichtleitfaser 5 fokussiert. Zum Schutz vor äußeren Störeinflüssen befinden sich die Bauteile in einem Gehäuse 19. Fig. 2 zeigt exemplarisch den Verlauf eines ersten Lichtbündels 21 aus dem roten Spektralbereich und eines zweiten Lichtbündels 23 aus dem blauen Spektralbereich des spektral verbreiterten Lichts beim Austritt aus einer mikrostrukturierten optischen Lichtleitfaser 5. Die mikrostrukturierte Lichtleitfaser 5 weist ein Cladding 25 und einen Faserkern 27 auf. Es ist schematisch auch zu erkennen, dass das erste Lichtbündel 21 aus dem roten Spektralbereich zum Teil auch aus dem Cladding 25 austritt, während das zweite Lichtbündel 23 aus dem blauen Spektralbereich im wesentlichen aus dem Faserkern austritt. Vorzugsweise kompensiert die Optik auch diese Tatsache der Afokalität.1 shows a light source 1 according to the invention with a microstructured optical element 3 which is designed as a microstructured optical fiber 5. The microstructured optical fiber 5 widens the light 7 of a primary light source 9, which is designed as a pulse laser 11. At the end of the microstructured optical fiber 5 there is an optical system 13 which forms the spectrally broadened light into an illuminating light beam 15, the optical system 13 compensating for the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light which emerges from the microstructured optical fiber 5. Between the primary light source 9 and the microstructured optical fiber 5 there is a focusing optics 17 which focuses the light of the primary light source onto the entry end of the microstructured optical fiber 5. To protect against external interference, the components are located in a housing 19. 2 shows an example of the course of a first light bundle 21 from the red spectral range and a second light bundle 23 from the blue spectral range of the spectrally broadened light as it emerges from a microstructured optical fiber 5. The microstructured optical fiber 5 has a cladding 25 and a fiber core 27 , It can also be seen schematically that the first light bundle 21 partly exits from the red spectral range from the cladding 25, while the second light bundle 23 essentially emerges from the fiber core from the blue spectral range. The optics preferably also compensate for this fact of afocality.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung gemäß dem Stand der Technik, bei der zur Formung eines Beleuchtungslichtstrahls 15 die Optik 13 als achromatische Optik 29 ausgestaltet ist. Während das zweite Lichtbündel 23, das Licht aus dem blauen Spektralbereich beinhaltet von der achromatischen Optik 29 kollimiert wird, wird nachteilhafter Weise das Licht des ersten Lichtbündels 21 , das Licht aus dem roten Spektralbereich beinhaltet, fokussiert. Die beiden Lichtbündel 21 , 23 bilden folglich nicht gleichzeitig ein paralleles Strahlenbündel und daher lediglich einen Beleuchtungslichtstrahl von verminderter optischer Strahlqualität. Fig. 4 illustriert den Verlauf des ersten Lichtbündels 21 , das Licht eines roten Spektralanteils beinhaltet und des zweiten Lichtbündels 23, das Licht eines blauen Spektralanteils beinhaltet, bei Verwendung einer Optik 13, die auf die spektralen Eigenschaften der mikrostrukturierten optischen Lichtleitfaser 5 abgestimmte Optik 31 ausgeführt ist. In dieser erfindungsgemäßen Anordnung verlaufen sowohl das erste Lichtbündel 21 , das Licht aus dem roten Spektralbereich des spektral verbreilerien Lichts beinhaltet, als auch das Licht des zweiten Lichtbündels 23, das Licht aus dem blauen Spektralbereich des spektral verbreiterten Lichts beinhaltet, kollimiert parallel zueinander und bilden einen Beleuchtungslichtstrahl mit einwandfreien optischen Strahleigenschaflen. Fig. 5 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Lichtquelle, bei der zum Ausblenden des aus dem Cladding 25 des mikrostrukturierten optischen Elements 3 austretenden Lichts eine variable Blende 33 vorgesehen ist.FIG. 3 shows an arrangement according to the prior art, in which the optics 13 are designed as achromatic optics 29 for shaping an illuminating light beam 15. While the second light bundle 23, which contains light from the blue spectral range, is collimated by the achromatic optics 29, the light from the first light bundle 21, which contains light from the red spectral range, is disadvantageously focused. The two light beams 21, 23 consequently do not simultaneously form a parallel beam and therefore only an illuminating light beam of reduced optical beam quality. FIG. 4 illustrates the course of the first light bundle 21, which contains light from a red spectral component, and of the second light bundle 23, which contains light from a blue spectral component, when using an optical system 13, which performs optical system 31 that is matched to the spectral properties of the microstructured optical optical fiber 5 is. In this arrangement according to the invention, both the first light bundle 21, which contains light from the red spectral range of the spectrally dispersed light, and the light of the second light bundle 23, which contains light from the blue spectral range of the spectrally broadened light, run collimated parallel to one another and form one Illuminating light beam with perfect optical beam properties. FIG. 5 shows an embodiment variant of the light source in which a variable diaphragm 33 is provided in order to block out the light emerging from the cladding 25 of the microstructured optical element 3.
Fig. 6 zeigt ein erfindungsgemäßes Rastermikroskop, das als konfokales Rastermikroskop ausgebildet ist. Der von einer Lichtquelle 1 mit einem in dieser Figur nicht gezeigten mikrostrukturierten optischen Element ausgehende Beleuchtungslichtstrahl 15 wird von der Linse 35 auf die Beleuchtungslochblende 37 fokussiert und gelangt anschließend zu dem Hauptstrahlteiler 39, der den Beleuchtungslichtstrahl 15 zu der Strahlablenkeinrichtung 41 , die einen kardanisch aufgehängten Scanspiegel 43 beinhaltet, lenkt. Die Strahlablenkeinrichtung 41 führt den Beleuchtungslichtstrahl 15 durch die Scanlinse 45 und die Tubuslinse 47 sowie durch das Objektiv 49 hindurch über bzw. durch die Probe 51. Das von der Probe ausgehende Detektionslicht 53, das in der Figur gestrichelt dargestellt ist, gelangt auf dem umgekehrten Lichtweg, nämlich durch das Objektiv 49, die Tubuslinse 47 und durch die Scanlinse 45 zurück zur Strahlablenkeinrichtung 41 und zum Hauptstrahlteiler 39, passiert diesen und gelangt nach Durchlaufen der Detektionslochblende 55 zum Detektor 57, der als Multibanddetektor 59 ausgeführt ist. Im Multibanddetektor 59 wird in verschiedenen spektralen Detektionskanälen das Detektionslicht delektiert und zur Leistung proportionale elektrische Signale erzeugt, die an ein nicht gezeigtes Verarbeitungssystem zur Darstellung eines Abbildes der Probe 51 weitergegeben werden.6 shows a scanning microscope according to the invention, which is designed as a confocal scanning microscope. The illuminating light beam 15 emanating from a light source 1 with a microstructured optical element not shown in this figure is focused by the lens 35 onto the illuminating pinhole 37 and then arrives at the main beam splitter 39, which directs the illuminating light beam 15 to the beam deflecting device 41, which has a gimbal-mounted scanning mirror 43 includes, directs. The beam deflection device 41 guides the illuminating light beam 15 through the scan lens 45 and the tube lens 47 as well as through the objective 49 over or through the sample 51. The detection light 53 emanating from the sample, which is shown in broken lines in the figure, arrives in the reverse light path , namely through the lens 49, the tube lens 47 and through the scan lens 45 back to the beam deflection device 41 and to the main beam splitter 39, passes this and after passing through the detection pinhole 55 reaches the detector 57, which is designed as a multiband detector 59. In the multiband detector 59, the detection light is detected in various spectral detection channels and electrical signals proportional to the power are generated, which are forwarded to a processing system (not shown) for displaying an image of the sample 51.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen undThe invention has been described in relation to a particular embodiment. However, it goes without saying that changes and
Abwandlungen durchgelöhn werden können, ohne dabei den Schulzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Modifications can be rewarded without leaving the scope of the following claims.
Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Lichtquelle1 light source
3 mikrostrukturiertes optisches Element3 micro-structured optical element
5 Lichtleitfaser5 optical fiber
7 Licht7 light
9 Primärlichtquelie9 primary light source
11 Pulslaser11 pulse lasers
13 Optik13 optics
15 Beleuchtungslichtstrahl15 illuminating light beam
17 Fokussieroptik17 focusing optics
19 Gehäuse19 housing
21 erstes Lichtbündel21 first light beam
23 zweites Lichtbündel23 second light beam
25 Cladding25 cladding
27 Faserkern27 fiber core
29 achromatische Optik29 achromatic optics
31 abgestimmte Optik31 coordinated optics
33 Blende33 aperture
35 Linse35 lens
37 Beleuchtungεlochblende37 lighting pinhole
39 Hauptstrahlteiler39 main beam splitter
41 Strahlablenkeinrichtung41 beam deflection device
43 Scanspiegel43 scan mirror
45 Scanlinse45 scan lens
47 Tubuslinse 49 Objektiv47 tube lens 49 lens
51 Probe51 rehearsal
53 Detektionslicht53 detection light
55 Detektionslochblende55 detection pinhole
57 Detektor57 detector
59 Multibanddetektor 59 Multi-band detector

Claims

Patentansprü ehe Patent claims before
1. Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, und mit einer Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik die unterschiedlichen Divergenzen der Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes kompensiert.1. Light source with a microstructured optical element which spectrally broadens the light from a primary source, and with optics which form the spectrally broadened light into an illuminating light beam, characterized in that the optics compensate for the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light.
2. Lichtquelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Optik für Licht unterschiedlicher Wellenlängen eine unterschiedliche Brennweite aufweist.2. Light source according to claim 1, characterized in that the optics for light of different wavelengths has a different focal length.
3. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik die kürzerwelligen Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes stärker fokussiert, als die längerwelligen Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes3. Light source according to one of claims 1 or 2, characterized in that the optics focuses the shorter-wave spectral components of the spectrally broadened light more than the longer-wave spectral components of the spectrally broadened light
4. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element Photonic-Band- Gap-Material beinhaltet.4. Light source according to one of claims 1 to 3, characterized in that the microstructured optical element contains photonic band-gap material.
5. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element als Lichtleitfaser ausgestaltet ist.5. Light source according to one of claims 1 to 4, characterized in that the microstructured optical element is designed as an optical fiber.
6. Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Verjüngung (tapered Fiber) aufweist.6. Light source according to claim 5, characterized in that the microstructured optical element has a taper (tapered fiber).
7. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Photonic- Crystal-Faser (mikrostrukturierte Faser, Holey Fiber) ist.7. Light source according to one of claims 5 or 6, characterized in that the microstructured optical element is a photonic Crystal fiber (micro-structured fiber, Holey fiber) is.
8. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende vorgesehen ist, die Randstrahlen des spektral verbreiterten Lichtes ausblendet. 8. Light source according to one of claims 1 to 7, characterized in that an aperture is provided which fades out marginal rays of the spectrally broadened light.
9. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik Bestandteil eines Mikroskops, insbesondere eines Rastermikroskop oder eines konfokalen Rastermikroskops, ist.9. Light source according to one of claims 1 to 8, characterized in that the optics is part of a microscope, in particular a scanning microscope or a confocal scanning microscope.
10. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik ein Objektiv ist. 10. Light source according to one of claims 1 to 9, characterized in that the optics is a lens.
11. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Flußzytometer oder einem Endoskop oder einem Chromatographen oder einer Lithographievorrichtung.11. Light source according to one of claims 1 to 8, characterized by the use in a flow cytometer or an endoscope or a chromatograph or a lithography device.
12. Mikroskop, das eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, und mit einer Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt, beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik die unterschiedlichen Divergenzen der Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes kompensiert.12. Microscope, which includes a light source with a microstructured optical element that spectrally broadened the light from a primary source and with optics that shape the spectrally broadened light into an illuminating light beam, characterized in that the optics reflect the different divergences of the spectral components of the spectrally broadened light compensated.
13. Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik für Licht unterschiedlicher Wellenlängen eine unterschiedliche13. Microscope according to claim 12, characterized in that the optics for light of different wavelengths is different
Brennweite aufweist.Has focal length.
14. Mikroskop nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik die kürzerwelligen Spektralanteile des spektral verbreiterten Lichtes stärker fokussiert, als die längerwelligen Spektralanteilβ des spektral verbreiterten Lichtes14. Microscope according to one of claims 12 or 13, characterized in that the optics focuses the shorter-wave spectral components of the spectrally broadened light more than the longer-wave spectral component β of the spectrally broadened light
15. Mikroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element Photonie-Band- Gap-Material beinhaltet.15. Microscope according to one of claims 12 to 14, characterized in that the microstructured optical element includes photonic band gap material.
16. Mikroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element als Lichtleitfaser ausgestaltet ist.16. Microscope according to one of claims 12 to 15, characterized in that the microstructured optical element as Optical fiber is designed.
17. Mikroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Verjüngung (tapered Fiber) aufweist. 17. Microscope according to claim 16, characterized in that the microstructured optical element has a taper (tapered fiber).
18. Mikroskop nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Photonic-Crystal-Faser (mikrostrukturierte Faser, Holey Fiber) ist.18. Microscope according to one of claims 16 or 17, characterized in that the microstructured optical element is a photonic crystal fiber (microstructured fiber, Holey fiber).
19. Mikroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik ein Objektiv ist. 19. Microscope according to one of claims 12 to 18, characterized in that the optics is an objective.
20. Mikroskop nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop ein Rastermikroskop, insbesondere ein konfokales Rastermikroskop, ist. 20. Microscope according to one of claims 12 to 19, characterized in that the microscope is a scanning microscope, in particular a confocal scanning microscope.
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