EP1656578A1 - Optische vorrichtung und mikroskop mit einer optischen vorrichtung zur kollinearen vereinigung von lichtstrahlen unterschiedlicher wellenlänge - Google Patents

Optische vorrichtung und mikroskop mit einer optischen vorrichtung zur kollinearen vereinigung von lichtstrahlen unterschiedlicher wellenlänge

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Publication number
EP1656578A1
EP1656578A1 EP04766443A EP04766443A EP1656578A1 EP 1656578 A1 EP1656578 A1 EP 1656578A1 EP 04766443 A EP04766443 A EP 04766443A EP 04766443 A EP04766443 A EP 04766443A EP 1656578 A1 EP1656578 A1 EP 1656578A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical device
microstructured
light
light beam
microstructured element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04766443A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Seyfried
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems CMS GmbH
Publication of EP1656578A1 publication Critical patent/EP1656578A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
    • G02B27/126—The splitting element being a prism or prismatic array, including systems based on total internal reflection
    • 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
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD

Definitions

  • the invention relates to an optical device which collinearly combines light beams 10 and a microscope with an optical device.
  • dichroic beam splitters are usually used in optics.
  • a point light source for a laser scanning microscope and a method for coupling at least 15 two lasers of different wavelengths into a laser scanning microscope are known from German published patent application DE 196 33 185 A1.
  • the point light source has a modular design and contains a dichroic beam combiner, which combines the light of at least two laser light sources and couples it into an optical fiber leading to the microscope.
  • a beam combining device for semiconductor lasers is known from European Patent EP 0 473 071 B1, which contains both dichroic mirrors and a polarizing beam splitter prism. With the help of the polarizing beam splitter prism
  • Hf Light beams which have a linear polarization direction lying perpendicular to one another are combined to form a collinear light beam, which has both polarization directions.
  • This method of producing an illuminating light beam from two individual light beams can only be used to a limited extent for microscopy, since the predetermined polarization characteristic of the resulting one
  • Illumination light beam often limits the experimental conditions too much.
  • a sample is illuminated with a light beam in order to observe the reflection or fluorescent light emitted by the sample.
  • the focus of an exposure light beam is moved with the aid of a controllable beam deflection device, generally by tilting two mirrors, in an object plane, the deflection axes usually being perpendicular to one another, so that one mirror deflects in the x direction and the other in the y direction.
  • the mirrors are tilted, for example, with the help of galvanometer control elements.
  • the power of the light coming from the object is measured depending on the position of the scanning beam.
  • the control elements are usually equipped with sensors for determining the current mirror position.
  • confocal scanning microscopy in particular, an object is scanned in three dimensions with the focus of a light beam.
  • a confocal scanning microscope generally includes a light source, imaging optics with which the light from the source is focused on a pinhole - the so-called excitation diaphragm - a beam splitter, a beam deflector for beam control, microscope optics, a detection diaphragm and the detectors for detecting the detection - or fluorescent light.
  • the illuminating light is often coupled in via the beam splitter, which can be designed, for example, as a neutral beam splitter or as a dichroic beam splitter.
  • Neutral beam splitters have the disadvantage that, depending on the division ratio, a lot of excitation or a lot of detection light is lost.
  • the fluorescent or reflection light coming from the object reaches the beam splitter via the beam deflection device, passes it, and is then focused on the detection diaphragm behind which the detectors are located.
  • Detection light that does not originate directly from the focus region takes a different light path and does not pass through the detection aperture, so that point information is obtained which leads to a three-dimensional image by sequential scanning of the object.
  • a three-dimensional image is usually achieved by recording image data in layers, the path of the scanning light beam on or in the object ideally describing a meander.
  • samples are prepared with several markers, for example several different fluorescent dyes. These dyes can be excited sequentially, for example with illuminating light beams that have different excitation wavelengths. Simultaneous excitation with an illuminating light beam that contains light of several excitation wavelengths is also common.
  • EP 0 495 930 "Confocal microscope system for multicolor fluorescence", for example, an arrangement with a single laser emitting several laser lines is known. At present, such lasers are mostly designed as mixed gas lasers, in particular as ArKr lasers.
  • a device for adjustable coupling and / or detection of one or more wavelengths in a microscope is known from German published patent application DE 198 42 288 A1.
  • an optical device in which a dispersive element and an imaging optical system define a splitting level, in which a location is assigned to each light wavelength and in which a microstructured element is arranged that comes from different directions and corresponds to their wavelength Locates focused light rays via the imaging optics to the dispersive element that collinearly combines the light rays.
  • the invention has the advantage that light beams which contain a continuous spectrum can also be combined; even if wavelengths of one light beam are within the spectrum of the other light beam.
  • one of the light beams contains light of several wavelengths
  • this light beam is spatially split before it hits the microstructured element.
  • This can be done with a further dispersive element, for example with a prism or a grating, or with the dispersive element that combines the light emanating from the microstructured element.
  • the dispersive element can be designed, for example, as a grating or as a prism.
  • the imaging optics could, for example, be designed as lens optics or as mirror optics.
  • the dispersive element and the imaging optics are combined, for example, as a concave mirror grating.
  • the imaging optics can include both cylindrical and spherical optics.
  • the distance between the dispersive element and the imaging optics on the one hand and the distance between the imaging optics and the microstructured element on the other hand preferably corresponds to the focal length f of the imaging optics. If the imaging optics, for example in the form of a lens, have two different main planes or if, for some reason, a lens combination is preferred, the distances are preferably selected accordingly, so that the imaging of the
  • the imaging optics is preferably a telecentric imaging system, since there is then no parallel offset of the returning light.
  • the microstructured element has reflecting and transmitting regions.
  • the light of a first light beam is focused on the reflecting areas, while the light of a second light beam is focused on the transmitting areas.
  • the microstructured element could, for example, include a photolithographically partially mirrored glass substrate, to which the reflecting and the transmitting regions are applied in strips.
  • the stripe pattern is preferably perpendicular to the direction of splitting of the dispersive element.
  • the microstructured element has mirror surfaces of different inclinations.
  • the respective flat surface sections are preferably rotated out of the splitting plane about an axis of rotation lying in the splitting plane, the pivot axis advantageously running perpendicular to the direction of the spectral splitting.
  • the planar patches are rotated out of the splitting plane about axes of rotation running parallel to the splitting direction.
  • the microstructured element could consist of a correspondingly processed and mirrored glass material.
  • the microstructured element contains a micro-electromechanical system (MEMS) or a micro-opto-electromechanical system (MOEMS).
  • MEMS micro-electromechanical system
  • MOEMS micro-opto-electromechanical system
  • a microstructured element designed in this way has the additional advantage that the local reflection angles can be changed by applying voltages.
  • a usable MDM mirror array is manufactured, for example, by Texas Instruments.
  • the microstructured element contains a microprism array composed of different prisms or an array with zones that have a different refractive index, which would be possible, for example, by suitably polarized lithium niobate in an electrical field.
  • This variant also enables specific control via the electrical field.
  • the beam combining technique according to the invention can be combined with other beam combining techniques, i. H.
  • additional beams can be combined to beams that have already been combined in advance.
  • the light output varying elements can be arranged, for. B. preferably an AOTF.
  • the optical device is preferably manufactured as a mechanical unit, which further components such. B. may include an AOTF or temperature stabilization.
  • the optical device is used to generate an illuminating light beam in a scanning microscope, in particular in a confocal scanning microscope.
  • Hf 1 shows an optical device according to the invention
  • Fig. 5 shows another optical device according to the invention.
  • Fig. 6 shows another optical device according to the invention.
  • FIG. 1 shows an optical device according to the invention with a dispersive element 1, which is designed as a prism 3, and with imaging optics 5, which together define a splitting plane 7, in which a microstructured element 9 is arranged.
  • the microstructured element 9 is designed as a strip-shaped reflecting glass substrate 11, the strips of the strip pattern being aligned perpendicular to the splitting direction of the prism 3.
  • a first light beam 13, which contains light of two wavelengths, is spatially split by the prism 3 and the resulting partial beams 15, 17 are focused by the lens 5 onto a mirrored strip of the glass substrate 11.
  • a second light beam 19 is focused by optics 21 onto a transmitting strip of the glass substrate 11.
  • the locations at which the partial beams 15, 17 and the second light beam 19 strike the glass substrate 11 correspond to their wavelength according to the splitting characteristic of the prism 3.
  • the partial beams 15, 17 reflected by the glass substrate 11 are guided together with the transmitted second light beam 19 via the lens 5 to the prism 3, which collinearly combines the partial beams 15, 17 and the second light beam 19 to form an output light beam 23.
  • the microstructured element 9 has a slight inclination with respect to the optical axis in order to spatially separate the first light beam 13 and the output light beam 23 from one another. Due to the inclination of the microstructured element 9, the output light beam 23 extends at an acute angle out of the plane of the drawing, which is not the case in the figure shown
  • FIG. 2 shows the microstructured element 9, which has already been mentioned with reference to FIG. 1.
  • the microstructured element 9 is designed as a glass substrate coated in the form of a strip and has regions 25 and transmitting regions 27.
  • the stripe pattern is, as indicated by the double arrow 29, arranged perpendicular to the direction of the spectral splitting of the dispersive element.
  • the microstructured element 9 shows a microstructured element 9 with plane mirror elements 31-43, which have different inclinations.
  • the plane mirror elements 31-43 can be rotated about axes of rotation which lie perpendicular to the spectral splitting direction in the splitting plane.
  • the microstructured element 9 is designed as a micro-opto-electro-mechanical system (MOEMS), so that the respective inclination angles can be changed by applying voltages.
  • MOEMS micro-opto-electro-mechanical system
  • FIG. 4 shows a microstructured element with microprisms 45-57.
  • the prisms are inclined about an axis of rotation that runs parallel to the spectral splitting direction.
  • FIG. 5 shows a further optical device according to the invention, which contains a fully reflecting microstructured element 9 which has a lamella structure 59.
  • the first light beam 13 strikes the microstructured element 9.
  • the second light beam 19 is focused by the lens 21 onto a first section of the microstructured element.
  • the partial beams 15, 17 meet other partial parts 63, 65, the partial parts 63, 65 having a different inclination than the partial part 61.
  • the inclinations of the partial parts 61-65 are selected such that the partial beams 15, 17 and the second light beam 19 are directed together via the lens 5 to the prism 3, which collinearly combines the partial beams 15, 17 and the second light beam 19 to form an output light beam 23.
  • FIG. 6 shows a development of the optical device shown in FIG. 5.
  • the second light beam 19 contains light of several wavelengths and is spatially spectrally split by an element 67, which is designed as a further prism 69, into the partial beams 71 and 73, which are focused by the lens 21 onto different locations of the microstructured element 9 .
  • the microstructured element 9 reflects the partial beams 15, 17 and the partial beams 71, 73 together via the lens 5 to form the prism 3, which combines the partial beams 15, 17, 71, 73 into a collinearly combined output light beam 23.
  • the invention has been described in relation to a particular embodiment. However, it is understood that changes and modifications can be made without departing from the scope of the following claims.

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Abstract

Eine optische Vorrichtung beinhaltet ein dispersives Element (1) und eine Abbildungsoptik (5) die eine Aufspaltungsebene (7) definieren, in der jeder Lichtwellenlänge ein Ort zugeordnet ist. In der Aufspaltungsebene ist ein mikrostrukturieries Element (9) angeordnet, das aus unterschiedlichen Richtungen kommende und auf die ihrer Wellenlänge entsprechenden Orte fokussierte Lichtstrahlen (13, 19) über die Abbildungsoptik (5) zu dem dispersiven Element (1) lenkt, das die Lichtstrahlen kollinear vereinigt.

Description

OPTISCHE VORRICHTUNG UND MIKROSKOP MIT EINER OPTISCHEN VORRICHTUNG ZUR KOLLINEAREN VEREINIGUNG VON LICHTSTRAHLEN UNTERSCHIEDLICHER WELLENLÄNGE
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, die Lichtstrahlen kollinear 10 vereinigt, und ein Mikroskop mit einer optischen Vorrichtung. Zum Vereinigen von Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge werden in der Optik üblicherweise dichroitische Strahlteiler eingesetzt. Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 196 33 185 A1 ist eine Punktlichtquelle für ein Laserscanmikroskop und ein Verfahren zum Einkoppeln von mindestens 15 zwei Lasern unterschiedlicher Wellenlänge in ein Laserscanmikroskop bekannt. Die Punktlichtquelle ist modular ausgestaltet und beinhaltet einen dichroitischen Strahlvereiniger, der das Licht mindestens zweier Laserlichtquellen vereinigt und in eine zum Mikroskop führende Lichtleitfaser einkoppelt. 20 Anordnungen auf der Basis von dichroitischen Strahlteilern haben häufig den Nachteil, dass das Vereinigen von Lichtstrahlen, die eine eng beieinanderliegende Wellenlänge aufweisen, gar nicht oder nur mit geringer Effizienz möglich ist, da dichroitische Strahlvereiniger mit einer unendlich steilen Kantencharakteristik nur theoretisch herstellbar sind. 25 Aus der Europäischen Patentschrift EP 0 473 071 B1 ist eine Strahlvereinigungsvorrichtung für Halbleiterlaser bekannt, die sowohl dichroitische Spiegel als auch ein polarisierendes Strahlteilerprisma beinhaltet. Mit Hilfe des polarisierenden Strahlteilerprismas können
Hf Lichtstrahlen, die eine senkrecht zueinander liegende lineare Polarisationsrichtung aufweisen, zu einem kollinearen Lichtstrahl vereinigt werden, wobei dieser beide Polarisationsrichtungen aufweist. Für die Mikroskopie ist diese Methode zur Herstellung eines Beleuchtungslichtstrahls aus zwei Einzellichtstrahlen nur eingeschränkt verwendbar, da die vorgegebene Polarisationscharakteristik des resultierenden
Beleuchtungslichtstrahls die Experimentierbedingungen oft zu sehr einschränkt.
In der Rastermikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet, um das von der Probe emittierte Reflexions- oder Fluoreszenzlicht zu beobachten. Der Fokus eines BelQUChtungslichtstrahles wird mit Hilfe einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung, im Allgemeinen durch Verkippen zweier Spiegel, in einer Objektebene bewegt, wobei die Ablenkachsen meist senkrecht aufeinander stehen, so dass ein Spiegel in x-, der andere in y-Richtung ablenkt. Die Verkippung der Spiegel wird beispielsweise mit Hilfe von Galvanometer-Stellelementen bewerkstelligt. Die Leistung des vom Objekt kommenden Lichtes wird in Abhängigkeit von der Position des Abtaststrahles gemessen. Üblicherweise werden die Stellelemente mit Sensoren zur Ermittlung der aktuellen Spiegelstellung ausgerüstet. Speziell in der konfokaleπ Rastermikroskopie wird ein Objekt mit dem Fokus eines Lichtstrahles in drei Dimensionen abgetastet.
Ein konfokales Rastermikroskop umfasst im Allgemeinen eine Lichtquelle, eine Abbildungsoptik, mit der das Licht der Quelle auf eine Lochblende - die sog. Anregungsblende - fokussiert wird, einen Strahlteiler, eine Strahlablenkeinrichtung zur Strahlsteuerung, eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichtes. Das Beleuchtungslicht wird oft über den Strahlteiler, der beispielsweise als Neutralstrahlteiler oder als dichroitischer Strahlteiler ausgeführt sein kann, eingekoppelt. Neutralstrahlteiler haben den Nachteil, dass je nach Teilungsverhältnis viel Anregungs- oder viel Detektionslicht verloren geht.
Hf Das vom Objekt kommende Fluoreszenz- oder Reflexionslicht gelangt über die Strahlablenkeinrichtung zurück zum Strahlteiler, passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren befinden. Detektionslicht, das nicht direkt aus der Fokusregion stammt, nimmt einen anderen Lichtweg und passiert die Detektionsblende nicht, so dass man eine Punktinformation erhält, die durch sequentielles Abtasten des Objekts zu einem dreidimensionalen Bild führt. Meist wird ein dreidimensionales Bild durch schichtweise Bilddatenaufnahme erzielt, wobei die Bahn des Abtastlichtstrahles auf bzw. in dem Objekt idealerweise einen Mäander beschreibt. (Abtasten einer Zeile in x-Richtung bei konstanter y- Position, anschließend x-Abtastung anhalten und per y-Verstellung auf die nächste abzutastende Zeile schwenken und dann, bei konstanter y-Position, diese Zeile in negative x-Richtung abtasten usw.). Um eine schichtweise Bilddatennahme zu ermöglichen, wird der Probentisch oder das Objektiv nach dem Abtasten einer Schicht verschoben und so die nächste abzutastende Schicht in die Fokusebene des Objektivs gebracht.
Bei vielen Anwendungen werden Proben mit mehreren Markern, beispielsweise mehreren unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen präpariert. Diese Farbstoffe können sequentiell, beispielsweise mit Beleuchtungslichtstrahlen, die unterschiedliche Anregungswellenlängen aufweisen, angeregt werden. Auch eine simultane Anregung mit einem Beleuchtungslichtstrahl, der Licht mehrerer Anregungswellenlängen beinhaltet, ist üblich. Aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 495 930: „Konfokales Mikroskopsystem für Mehrfarbenfluoreszenz" ist beispielsweise eine Anordnung mit einem einzelnen mehrere Laserlinien emittierenden Laser bekannt. Derzeit sind in der Praxis solche Laser meist als Mischgas laser, insbesondere als ArKr-Laser, ausgebildet.
Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 198 42 288 A1 ist eine Vorrichtung zur einstellbaren Einkopplung und/oder Detektion einer oder mehrerer Wellenlängen in einem Mikroskop bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, unabhängig von der Polarisationsrichtung und
Hf unabhängig von der spektralen Nähe der Wellenlängen Lichtstrahlen kollinear zu vereinigen.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung gelöst, bei der ein dispersives Element und eine Abbildungsoptik eine Auf Spaltungsebene definieren, in der jeder Lichtwellenlänge ein Ort zugeordnet ist und in der ein mikrostrukturiertes Element angeordnet ist, das aus unterschiedlichen Richtungen kommende und auf die ihrer Wellenlänge entsprechenden Orte fokussierte Lichtstrahlen über die Abbildungsoptik zu dem dispersiven Element lenkt, das die Lichtstrahlen kollinear vereinigt. Die Erfindung hat den Vorteil, dass auch Lichtstrahlen, die ein kontinuierliches Spektrum beinhalten, vereinigbar sind; selbst dann, wenn Wellenlängen des einen Lichtstrahls innerhalb des Spektrums des anderen Lichtstrahls liegen.
Für den Fall, dass einer der Lichtstrahlen Licht mehrerer Wellenlängen beinhaltet, ist vorgesehen, diesen Lichtstrahl vor dem Auftreffen auf das mikrostrukturierte Element räumlich spektral aufzuspalten. Dies kann mit einem weiteren dispersiven Element, beispielsweise mit einem Prisma oder einem Gitter erfolgen oder mit dem dispersiven Element, das das von dem mikrostrukturierten Element ausgehende Licht vereinigt.
Das dispersive Element kann beispielsweise als Gitter oder als Prisma ausgebildet sein. Die Abbildungsoptik könnte beispielsweise als Linsenoptik oder als Spiegeloptik ausgeführt sein. In einer besonderen Variante sind das dispersive Element und die Abbildungsoptik beispielsweise als Hohlspiegelgitter zusammengefasst. Die Abbildungsoptik kann sowohl Zylinder- als auch sphärische Optiken beinhalten. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen dem dispersiven Element und der Abbildungsoptik einerseits und der Abstand zwischen der Abbildungsoptik und dem mikrostrukturierten Element andererseits der Brennweite f der Abbildungsoptik. Hat die beispielsweise als Linse ausgebildete Abbildungsoptik zwei unterschiedliche Hauptebenen oder bevorzugt man aus irgendwelchen Gründen eine Linsenkombination, so wählt man vorzugsweise die Abstände sinngemäß entsprechend, so dass die Abbildung der
Hf unterschiedlichen Wellenlängen telezentrisch auf die Auf Spaltungsebene erfolgt. Die Abbildungsoptik ist vorzugsweise ein telezentrisc es Abbildung ssystem, da dann kein Parallelversatz des zurückkommenden Lichts entsteht.
In einer besonderen Variante weist das mikrostrukturierte Element reflektierende und transmittierende Bereiche auf. Das Licht eines ersten Lichtstrahls wird in dieser Variante auf die reflektierenden Bereiche fokussiert, während das Licht eines zweiten Lichtstrahls auf die transmittierenden Bereiche fokussiert wird. Das mikrostrukturierte Element könnte beispielsweise ein photolithographisch teilverspiegeltes Glassubstrat beinhalten, auf das die reflektierenden und die transmittierenden Bereiche streifenförmig aufgebracht sind. Das Streifenmuster verläuft vorzugsweise senkrecht zur Aufspaltungsrichtung des dispersiven Elements.
In einer anderen Ausgestaltungsform weist das mikrostrukturierte Element Spiegelflächen unterschiedlicher Neigung auf. Vorzugsweise verwendet man eine lamellenartige Struktur aus linienförmigen, z.B. rechteckigen planen Bereichen, die jeweils verspiegelt sind und in verschiedener Raumrichtung geneigt sind, wobei die Linienrichtung senkrecht zur spektralen Aufspaltung in der Aufspaltungsebene verläuft. Die jeweiligen planen Flächenstücke sind hierbei vorzugsweise um eine in der Aufspaltungsebene liegende Drehachse aus der Aufspaltungsebene herausgedreht, wobei die Drehachse vorteilhafterweise senkrecht zur Richtung der spektralen Aufspaltung verläuft. In einer anderen Variante sind die planen Flächenstücke um parallel zur Aufspaltungsrichtung verlaufende Drehachsen aus der Aufspaltungsebene herausgedreht. Das mikrostrukturierte Element könnte aus einem entsprechend bearbeiteten und verspiegelten Glasmaterial bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das mikrostrukturierte Element ein mikro-elektromechanisches System (MEMS) bzw. ein mikro-opto- elektromechanisches System (MOEMS). Ein derart ausgeführtes mikrostrukturiertes Element hat den zusätzlichen Vorteil, dass die lokalen Reflektionswinkel durch Anlegen von Spannungen verändert werden können. Ein verwendbares MDM-Spiegelarray wird beispielsweise von der Firma Texas-Instruments hergestellt.
Hf In einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform beinhaltet das mikrostrukturierte Element ein Mikroprismenarray aus unterschiedlichen Prismen oder ein Array mit Zonen, die einen unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, was beispielsweise durch geeignet gepoltes Lithiumniobat in einem elektrischen Feld realisierbar wäre. Diese Variante ermöglicht darüber hinaus eine spezifische Ansteuerung über das elektrische Feld.
Die erfindungsgemäße Strahlvereinigungstechnik kann mit anderen Strahlvereinigungstechniken kombiniert werden, d. h. beispielsweise zu bereits im Vorfeld vereinigten Strahlen können weiteren Strahlen hinzuvereint werden.
Alle bei der Justage zu bewegenden Teile sind vorzugsweise motorisiert, insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn das spektral selektive Element entlang der Richtung der spektralen Aufspaltung beweglich ist. Vor oder nach der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung können die Lichtleistung variierende Elemente angeordnet sein, z. B. bevorzugt ein AOTF. Die optische Vorrichtung ist vorzugsweise als eine mechanische Einheit gefertigt, welche weitere Bauteile wie z. B. einen AOTF oder eine Temperaturstabilisierung beinhalten kann. Es ist mit der beschriebenen Technik möglich, auf einen ersten Lichtstrahl nicht nur einen zweiten, sondern auch einen dritten oder weitere Lichtstrahlen aufzufädeln. Dies ist besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit den beschriebenen MEMS-/MOEMS-Aktuatoren möglich.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform dient die optische Vorrichtung zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahls in einem Rastermikroskop, insbesondere in einem konfokalen Rastermikroskop.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Hf Fig. 1 eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung,
Fig. 2 ein mikrostrukturiertes Element,
Fig. 3 ein weiteres mikrostrukturiertes Element,
Fig. 4 ein weiteres mikrostrukturiertes Element,
Fig. 5 eine weitere erfindungsgemäße optische Vorrichtung und
Fig. 6 eine andere erfindungsgemäße optische Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Vorrichtung mit einem dispersiven Element 1 , das als Prisma 3 ausgebildet ist und mit einer Abbildungsoptik 5, die gemeinsam eine Aufspaltungsebene 7 definieren, in der ein mikrostrukturiertes Element 9 angeordnet ist. Das mikrostrukturierte Element 9 ist als streif enförm ig reflektierendes Glassubstrat 1 1 ausgebildet, wobei die Streifen des Streifenmusters senkrecht zur Aufspaltungsrichtung des Prismas 3 ausgerichtet sind. Ein erster Lichtstrahl 13, der Licht zweier Wellenlängen beinhaltet, wird von dem Prisma 3 räumlich spektral aufgespalten und die resultierenden Teilstrahlen 15, 17 von der Linse 5 auf jeweils einen verspiegelten Streifen des Glassubstrats 1 1 fokussiert. Ein zweiter Lichtstrahl 19 wird von einer Optik 21 auf einen transmittierenden Streifen des Glassubstrats 11 fokussiert. Die Orte, an denen die Teilstrahlen 15, 17 und der zweite Lichtstrahl 19 auf das Glassubstrat 11 treffen, entsprechen gemäß der Aufspaltungscharakteristik des Prismas 3 ihrer Wellenlänge. Die von dem Glassubstrat 11 reflektierten Teilstrahlen 15, 17 werden gemeinsam mit dem transmittierten zweiten Lichtstrahl 19 über die Linse 5 zum Prisma 3 geführt, das die Teilstrahlen 15, 17 sowie den zweiten Lichtstrahl 19 kollinear zu einem Ausgangslichtstrahl 23 vereinigt. Das mikrostrukturierte Element 9 weist gegenüber der optischen Achse eine leichte Neigung auf, um den ersten Lichtstrahl 13 und den Ausgangslichtstrahl 23 räumlich voneinander zu trennen. Durch die Neigung des mikrostrukturierten Elements 9 verläuft der Ausgangslichtstrahl 23 unter einem spitzen Winkel aus der Zeichenebene hinaus, was in der gezeigten Figur nicht
Hf erkennbar ist. Die Neigung beeinflusst die Funktionsweise der optischen Vorrichtung jedoch nur sehr geringfügig.
Fig. 2 zeigt das mikrostrukturierte Element 9, das bereits bezüglich Fig. 1 erwähnt ist. Das mikrostrukturierte Element 9 ist als streifenförmig beschichtetes Glassubstrat ausgebildet und weist Bereiche 25 und transmittierende Bereiche 27 auf. Das Streifenmuster ist wie durch den Doppelpfeil 29 angedeutet ist, senkrecht zur Richtung der spektralen Aufspaltung des dispersiven Elements angeordnet.
Fig. 3 zeigt ein mikrostrukturiertes Element 9 mit planen Spiegelelementen 31 - 43, die unterschiedliche Neigungen aufweisen. Die planen Spiegelelemente 31-43 sind um Drehachsen drehbar, die senkrecht zur spektralen Aufspaltungsrichtung in der Aufspaltungsebene liegen. Das mikrostrukturierte Element 9 ist als mikro-opto-elektro-mechanisches System (MOEMS) ausgebildet, so dass die jeweiligen Neigungswinkel durch Anlegen von Spannungen veränderbar sind.
Fig. 4 zeigt ein mikrostrukturiertes Element mit Mikroprismen 45-57. Die Prismen sind um eine Drehachse, die parallel zur spektralen Aufspaltungsrichtung verläuft, geneigt.
Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße optische Vorrichtung, die ein vollständig reflektierendes mikrostrukturiertes Element 9 beinhaltet, das eine Lamellenstruktur 59 aufweist. Der erste Lichtstrahl 13 trifft die, wie bezüglich Fig. 1 bereits geschildert, auf das mikrostrukturierte Element 9. Der zweite Lichtstrahl 19 wird von der Linse 21 auf ein erstes Teilstück des mikrostrukturierten Elements fokussiert. Die Teilstrahlen 15, 17 treffen auf andere Teilstücke 63, 65, wobei die Teilstücke 63, 65 eine andere Neigung aufweisen, als das Teilstück 61. Die Neigungen der Teilstücke 61 -65 sind so gewählt, dass die Teilstrahlen 15, 17 sowie der zweite Lichtstrahl 19 gemeinsam über die Linse 5 zum Prisma 3 gelenkt werden, das die Teilstrahlen 15, 17 und den zweiten Lichtstrahl 19 kollinear zu einem Ausgangslichtstrahl 23 vereinigt.
Hf Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 5 gezeigten optischen Vorrichtung. In dieser Ausgestaltungsvariante beinhaltet der zweite Lichtstrahl 19 Licht mehrerer Wellenlängen und wird von einem Element 67, das als weiteres Prisma 69 ausgebildet ist, räumlich spektral in die Teilstrahlen 71 und 73 aufgespalten, die von der Linse 21 auf unterschiedliche Orte des mikrostrukturierten Elements 9 fokussiert sind. Das mikrostrukturierte Element 9 reflektiert die Teilstrahlen 15, 17 sowie die Teilstrahlen 71 , 73 gemeinsam über die Linse 5 zu dem Prisma 3, das die Teilstrahlen 15, 17, 71 , 73 zu einem kollinear vereinigten Ausgangslichtstrahl 23 vereinigt. Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Hf Bezugszeichenliste:
1 dispersives Element
3 Prisma
5 Abbildungsoptik
7 Aufspaltungsebene
9 mikrostrukturiertes Element
11 Glassubstrat
13 erster Lichtstrahl
15 Teilstrahl
17 Teilstrahl
19 zweiter Lichtstrahl
21 Optik
23 Ausgangslichtstrahl
25 verspiegelte Bereiche
27 transmittierende Bereiche
29 Richtung der spektralen Aufspaltung
31-43 Spiegelelemente
45-57 Mikroprismen
59 Lamellenstruktur
61 Teilstück
63 Teilstück
65 Teilstück
67 weiteres dispersives Element
69 weiteres Prisma
71 Teilstrahl
73 Teilstrah)
Hf

Claims

Patentansprüche
1. Optische Vorrichtung, bei der ein dispersives Element und eine Abbildungsoptik eine Auf Spaltungsebene definieren, in der jeder Lichtwellenlänge ein Ort zugeordnet ist und in der ein mikrostrukturiertes Element angeordnet ist, das aus unterschiedlichen Richtungen kommende und auf die ihrer Wellenlänge entsprechenden Orte fokussierte Lichtstrahlen über die Abbildungsoptik zu dem dispersiven Element lenkt, das die Lichtstrahlen kollinear vereinigt.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
3. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Lichtstrahl mehrere Wellenlängen aufweist.
4. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element zumindest einen Lichtstrahl vor dem Auftreffen auf das mikrostrukturierte Element räumlich spektral aufspaltet.
5. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres dispersives Element zumindest einen Lichtstrahl vor dem Auftreffen auf das mikrostrukturierte Element räumlich spektral aufspaltet.
6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element ein Prisma beinhaltet.
7. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element ein Gitter beinhaltet.
8. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das dispersive Element die Abbildungsoptik umfasst.
Hf
9. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte Element reflektierende und transmittierende Bereiche aufweist.
10. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte Element Spiegelflächen unterschiedlicher Neigung aufweist.
11. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte Element MEMS (mikro-elektro- mechanisches System) bzw. MOEMS (mikro-opto-elektro-mechanisches System) beinhaltet.
12. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte Element ein Mikrospiegelarray beinhaltet.
13. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte Element ein Mikroprismenarray beinhaltet.
14. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte Element Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist.
15. Mikroskop mit einer optischen Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 14.
16. Rastermikroskop, insbesondere konfokales Rastermikroskop, mit einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Erzeugung eines Beleuchtungslichtstrahles.
Hf
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