EP3455663A1 - Optisches rastermikroskop und untersuchungsverfahren - Google Patents

Optisches rastermikroskop und untersuchungsverfahren

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EP3455663A1
EP3455663A1 EP17723981.1A EP17723981A EP3455663A1 EP 3455663 A1 EP3455663 A1 EP 3455663A1 EP 17723981 A EP17723981 A EP 17723981A EP 3455663 A1 EP3455663 A1 EP 3455663A1
Authority
EP
European Patent Office
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light
channel
beam splitter
optical
hauptpolarisationsrichtung
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17723981.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Schumann
Albrecht Weiss
Tobias Bauer
Cornell Peter Gonschior
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Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Leica Microsystems CMS GmbH filed Critical Leica Microsystems CMS GmbH
Publication of EP3455663A1 publication Critical patent/EP3455663A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61F2005/0132—Additional features of the articulation
    • A61F2005/0179—Additional features of the articulation with spring means

Definitions

  • the invention relates to a scanning optical microscope and a corresponding
  • FRAP fluorescence recovery after photobleaching
  • FLIP fluorescence loss in photobleaching
  • uncaging and photoactivation are known.
  • the sample to be examined is typically scanned for manipulation by means of a focused laser beam, using a scanning device (used in an orthoscopic beam path).
  • TIRF Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy
  • Laser beam is focused in the entrance pupil of the lens to obtain a flat illumination of the object field.
  • This illumination occurs at an adjustable angle determined by the position of the laser beam in the entrance pupil.
  • total reflection and a thin illumination of the interface by evanescent waves are obtained.
  • Lighting angle is a position control system of the laser beam in the entrance pupil needed.
  • a (used in a conoscopic beam path) grid device can be used.
  • Positioning of the laser beam in the entrance pupil is for example on the
  • EP 1 752 809 B2 A combination system for orthoscopic and conical illumination beam paths is known from EP 1 752 809 B2, which however has the disadvantage that only a part of the objective pupil is always accessible for a conoscopic illumination.
  • a lighting device by means of which an orthoscopic and a conoscopic beam path can be provided.
  • a ring mirror is used.
  • a centrally through the ring mirror, i. the non-mirrored region or a corresponding recess, passing illumination light beam is used to generate the orthoscopic beam path.
  • a peripheral to the ring mirror, i. whose mirrored area, striking illumination light beam is used to generate the conoscopic beam path.
  • Object of the present invention is, among other things, the control of a laser beam in the pupil and the scanning of a
  • the present invention is based on the fundamental idea, in one
  • the present invention proposes a scanning optical microscope which comprises an illumination system with a light source emanating from a light source
  • Light source section a first and a second polarization-dependent beam splitter and a first and a second optical channel between the first and the second beam splitter comprises.
  • a raster unit of known type is integrated, as it is basically known and will be explained below.
  • a polarization-dependent beam splitter (English: Polarizing Beam Splitter, PBS, commonly referred to in certain designs as “pole cube”), this is understood as an optical element, the light of different
  • a polarizing beam splitter can pass light of a first polarization direction without being deflected, while deflecting light of a second, different polarization direction in an angle defined by the design and the optical materials.
  • relevant specialist literature eg Bennett, JM: Polarizers, Chapter 3 in: Bass, ME et al. (Ed.): Handbook of Optics. Fundamentals, Techniques & Design, Volume 2, New York: McGraw-Hill, 2nd edition, 1995, referenced.
  • the light source section is configured to radiate a first illumination light beam with light of first and second main polarization directions. Under "light of a first Hauptpolarisationsraum" or "light of a second
  • Polarization directions are each in a narrow angular range of, for example, ⁇ 10 ° ⁇ 5 ° or ⁇ 1 °. Due to an incomplete polarization, smaller fractions may also be present in one or more other polarization directions.
  • the formulation according to which corresponding light comprises "mainly or exclusively" light waves which are present in the first polarization direction or the second polarization direction indicates, for example, that less than 25%, 10%, 5% or 1% in a different
  • Polarization direction present.
  • the first and second polarization directions are aligned orthogonal to each other.
  • the orthogonal orientation includes both circularly polarized light and linearly polarized light, which in two
  • Illumination beam be provided. If this is the case, that includes
  • Illumination light beam corresponding illumination light of a polarization state, which corresponds to a linear combination of orthogonal Kleinpolarisationsraumen.
  • illumination beam can also successively with the first
  • the illumination light beam comprises light with predominantly or exclusively the first in a first period of time
  • the concomitant conoscopic beam path is achieved by the use of different optical channels between the first and the second beam splitter implemented.
  • the first beam splitter in the scanning microscope according to the invention is adapted to lead the light of the first illumination light beam with the first Schopolarisationscardi at least predominantly in the first channel and the light of the first illumination light beam with the second Schopolarisationsraum at least predominantly in the second channel.
  • a different "treatment" of the light with the first or the second takes place
  • An illumination light beam that extends between the light source section and the first beam splitter in a common beam path section is therefore converted into the first or the second channel depending on polarization.
  • the light of the first channel can be influenced differently from the light of the second channel, for example already alone by different optical lengths of the two channels and / or by different optical elements in the two channels.
  • the second beam splitter is set up to form a second illumination light beam from light having the first main polarization direction from the first channel and from light having the second main polarization direction from the second channel.
  • the illumination light beam is predominantly or exclusively with light of the first
  • this light enters predominantly or exclusively in the first channel and from this in the second beam splitter.
  • the second beam splitter then forms the second illumination light beam predominantly or exclusively from the light from the first channel.
  • the second illumination light beam comprises in this way predominantly or exclusively the light with the first main polarization direction.
  • Illuminating light beam predominantly or exclusively with light of the second
  • Illuminating light beam mainly or exclusively from the light of the second
  • the illumination light beam is emitted by the light source section in such a way that it simultaneously comprises light of the first and the second main polarization direction, the light of the first main polarization direction passes predominantly or exclusively into the first and the light with the second via the first beam splitter
  • Illuminating light beam always only from light of one of the two
  • the two said optical channels are arranged to emit the light with the first main polarization direction from the first channel and the light with the second main polarization direction from the second channel with different convergence angles.
  • the first channel may be configured to receive the light of the first
  • Main polarization direction in the form of a divergent light beam and the second channel may be adapted to emit the light with the second main polarization direction from the second channel in the form of a collimated light beam.
  • different optical path lengths and / or optical elements are provided in the two channels. In principle, however, a parallel provision of an orthoscopic and a conoscopic beam path can also be effected in a different way than here and below.
  • the light source section is adapted to provide the first illumination light beam in the form of a collimated light beam, ie a light source is imaged infinitely.
  • a raster unit can later be imaged into the objective pupil either along the orthoscopic beam path and from there through an object-side telecentric objective, with the light source being imaged into the sample (front focal plane of the objective) or the raster unit along the conoscopic beam path into the sample, in which case again the light source remains at infinity.
  • the first beam splitter is preceded by a first optical element, which is set up to provide the one in the form of the collimated light beam
  • Illuminating illumination light beam in the form of a convergent light beam in the first beam splitter Since this advantageously does not have convergence-influencing properties in the context of the present invention, the light irradiated into the first beam splitter in the form of the convergent light beam is also guided convergently into the already-mentioned channels.
  • the first optical element can be formed in the simplest case, for example in the form of a converging lens, optionally with suitable optical correction means. It focuses the collimated light beam of the
  • Illuminating light beam in an image-side plane of the first optical element Illuminating light beam in an image-side plane of the first optical element.
  • the focused using the first optical element light diverges beyond the focal point of the first optical element and can be in this way without further optical interference, for example, from the first channel in the form of a divergent light beam and irradiated in the second beam splitter.
  • a corresponding light beam diverging beyond the focal point can be deflected, collimated, and collimated out of the second channel and irradiated into the second beam splitter by means of suitable optical elements and deflection devices.
  • a part of a first optical element a part of a
  • Bertrand lens system as known from DE 10 2013 222 562 A1.
  • the remainder of the Bertrand lens system is advantageously formed by a second, explained below optical element, which is located beyond the second beam splitter,
  • a tube lens for example, a tube lens.
  • the first channel is advantageously designed to radiate light at least predominantly divergently into the second beam splitter
  • the second channel is advantageously configured to radiate light at least predominantly collimated into the second beam splitter.
  • the first channel predominantly or exclusively carries light with the first main polarization direction, this is emitted from the first channel in the form of a divergent light beam and radiated into the second beam splitter.
  • the light with the second main polarization direction from the second channel is radiated into the second beam splitter in the form of a collimated light beam.
  • Corresponding light can be optically influenced after passing through the second beam splitter in any desired manner.
  • the second beam splitter is followed by an already mentioned second optical element, which is set up to divergently radiate light emitted from the second beam splitter (with predominantly or exclusively the first beam splitter)
  • this second optical element may be the tube lens of the scanning microscope.
  • correspondingly collimated light can be radiated into an objective, wherein the angle at which this collimated light strikes a rear objective pupil can be changed by means of a raster unit.
  • Raster illumination and sample manipulation are performed.
  • an evanescent lighting can be realized by the
  • the present invention is particularly advantageous in connection with an optical scanning microscope with an attachable in a lens mount and positionable in a lens position lens with a rear lens pupil, wherein the second optical element is adapted to the light with the second
  • Main polarization direction to focus in a plane of the rear lens pupil.
  • the light having the first main polarization direction collimated by the second optical element passes in collimated form through the rear lens pupil.
  • the light source section simultaneous provision of light having the first and second main polarization directions or provision of light having the first main polarization direction in a first period and light having the second main polarization direction having a second period
  • Light source section einschwenkbare or rotatably arranged in the beam path
  • Delay plate for example, a ⁇ / 2 plate or more corresponding plates include.
  • electro-optical systems and / or acousto-optical systems and / or systems realized on the basis of liquid crystals may also be used with particular advantage as delay elements.
  • Corresponding elements for providing polarized light are known in principle from the prior art, so that reference may be made to relevant specialist literature.
  • light is emitted by the light source section simultaneously with two different main polarization directions, for example by using light of two differently polarized lasers and merging in the first illumination light beam or by insufficient polarization of the light along a main polarization direction z.
  • Delay element or in addition to a fast closure may be provided in one or both of the channels. Whenever light comes with a first
  • optical elements are provided along the first channel, which are formed and arranged to form a Galilean telescope, which is one or more real or virtual deflection points of the raster device in or close the lens pupil images.
  • a "real or virtual deflection point” is used to denote a point which, on a corresponding grid unit, deflects light of a light source in a spatially limited manner ("punctiform") and thus provides a scanning light beam.
  • Real are corresponding deflection points when they are formed by actual elements, for example mirrors, "virtual" deflection points are representations of corresponding elements in space.
  • the illumination system of the present invention is designed removable, wherein in particular the first and the second beam splitter and the first and the second channel, which is formed between the first and the second beam splitter, are arranged on a withdrawable from the scanning microscope insert.
  • the optical scanning microscope has means for adaptation as a submodule to a wide field microscope.
  • the present invention also extends to a method of examining a sample by means of a scanning optical microscope comprising an illumination system comprising a light source section, first and second polarization-dependent beam splitters, and first and second optical channels between the first and second beam splitters.
  • the method according to the invention provides, using the light source section, a first illumination light beam with light of a first and a second one
  • Figure 1 shows a beam path of a scanning microscope with a
  • Figure 2 shows a beam path of a scanning microscope with a
  • Illumination system according to an embodiment of the invention in a simplified, schematic representation.
  • Figure 3 shows a beam path of a scanning microscope with a
  • Illumination system according to an embodiment of the invention in a simplified, schematic representation.
  • Embodiments include a plurality of common elements, which will be explained below with reference first to FIG. The explanations also apply to the other figures.
  • a scanning microscope illustrated in FIG. 1, which here illustrates a highly schematic illustration, which is shown in dot-dashed lines, and designated by 1, comprises an objective 12 received in an objective receptacle 11 at a lens position 10.
  • Lens shots of different types can be provided, for example
  • An objective pupil of the objective 12 is designated by 109.
  • An illumination system of a corresponding scanning microscope is denoted overall by 20.
  • An orthoscopic beam path is illustrated by 200, a conoscopic beam path by 201 (dashed).
  • the orthoscopic beam path 200 and the conoscopic beam path 201 run over certain distances of the
  • the first channel 21 and the second channel 22 are each formed between a first polarization-dependent beam splitter 105a and a second polarization-dependent beam splitter 105b.
  • a corresponding light source 100 can be used, which already provides correspondingly polarized illumination light.
  • the light source 100 may be
  • a laser light source for example, be a laser light source, a polarization-maintaining optical fiber or a suitable polarization element, or a light source for unpolarized light with a corresponding polarization element.
  • a polarization-maintaining optical fiber for example, be a laser light source, a polarization-maintaining optical fiber or a suitable polarization element, or a light source for unpolarized light with a corresponding polarization element.
  • Light source 100 provided illumination light beam can be realized by different arrangements, which are greatly simplified here with 102 illustrated.
  • a corresponding arrangement 102 may comprise a fast mechanically switchable delay element (for example a ⁇ / 2 plate), which is preferably arranged at a location of the beam path or the illumination light beam with a small beam diameter and a constant beam position.
  • a corresponding delay element or a corresponding arrangement 102 between a fast mechanically switchable delay element for example a ⁇ / 2 plate
  • Fiber collimator and in front of a beam expansion system as illustrated here in a simplified manner at 101.
  • a scanning device or scanning unit 103 is formed in a manner known per se, this includes, for example, tiltable mirrors, rotatable prisms and / or
  • Illuminating light beam here illustrated with 203, is provided which optionally has a first main polarization direction or a second main polarization direction and in the example shown is emitted in collimated form by the grid unit 103.
  • the illumination light beam 203 then passes through a first optical element 104 of one or more lenses and is focused in this way.
  • Illuminating light beam 203 having the first or the second main polarization direction focusses into the first polarization-dependent beam splitter 105a.
  • the light of the second main polarization direction as illustrated here in the form of the dashed conoscopic beam path 201, is reflected, while light of the first main polarization direction passes through the boundary layer without being deflected.
  • the first polarization-dependent beam splitter 105a guides the light with the first main polarization direction into the first optical channel 21 and the light with the second main polarization direction into the second channel 22. Beyond a respective focal point in the first channel 21 and the second channel 22, respectively the light with the first and the second polarization respectively divergent.
  • the light having the first main polarization direction in the first channel 21, as illustrated here with the orthoscopic beam path 200 diverges from the first channel and enters the second polarization-dependent beam splitter 105b.
  • a closure 110 it is possible to prevent false light from entering the second polarization-dependent beam splitter.
  • the first channel 21 no further optical elements are provided in the embodiment illustrated in FIG.
  • further optical elements 106a and 106b are provided.
  • the light in the second channel 22 extending with the second polarization is further deflected via deflecting elements 107a and 107b.
  • the optical elements 106a and 106b the light with the second main polarization direction in the second channel 22 collimated and enters in collimated form in the second polarization-dependent beam splitter 105b.
  • the light having the first main polarization direction out of the first channel 21 diverges therefrom after passing through the second polarization-dependent beam splitter 105b, the light having the second main polarization direction emerges from the second channel 22 after passing through the second channel and the second
  • the collimated light with the second main polarization direction can be focused from the second optical channel, whereas the light with the first main polarization direction from the first optical channel can be collimated.
  • the second optical element 108 forms a Bertrand lens with the already explained optical elements 106a and 106b.
  • the first optical channel 21 and the second optical channel 22 and the arrangement of the illustrated lenses the light having the first main polarization direction in collimated form can enter the rear lens pupil 109 of the lens 12, whereas the light having the second main polarization direction can enter the rear lens pupil 109 of the lens 12 are focused.
  • the second optical element 108, together with the first optical element 104, forms a Galilean telescope, which surrounds the one or more through the
  • Scanning device 103 conditional real or virtual deflection points of the
  • Illuminating light beam into or near the objective pupil 109 Illuminating light beam into or near the objective pupil 109.
  • a detection of fluorescent light of a sample, which is arranged in front of the objective 12, can be carried out by a conventional wide field fluorescence microscope.
  • Illumination system 20 of the embodiments discussed herein may be coupled in such a wide field fluorescence microscope in the fluorescence illumination beam path at a suitable location and be formed removable. It is particularly advantageous if the Bertrand lens system formed by the optical elements 106a, 106b and 108 has a variable focus, which allows focusing at different mechanical positions of the objective pupil 109, for example when using different objectives or a turret focusing.
  • the second optical element 108 which can be formed, for example, in the form of a tube lens, can be kept constant in a corresponding focusable Bertrand lens system and therefore does not have to be removed even when changing the illumination system 20, and the afocalism of the Galileo telescope consisting of elements 104 and 108 is preserved.
  • the embodiment of the scanning microscope 2 illustrated in Figure 2 differs from the embodiment illustrated in Figure 1 by the absence of the shutter 110. As mentioned, in the embodiment of the scanning microscope 1 illustrated in Figure 1, this allows blanking due to non-ideal
  • Shutter members 110 and 111 are provided.
  • the light source section 100 to 103 and the light source 100 in this case, for example, illumination light of a fixed
  • polarization-dependent beam splitter 105a illumination light in both channels 21 and 22 directed.
  • a beam path can now be selectively blocked and in this way light can pass through the only one channel to the objective 12.
  • 105a, 105b polarization-dependent beam splitter 106a, 106b further optical elements

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches Rastermikroskop (1, 2, 3), das ein Beleuchtungssystem (20) mit einem von einer Lichtquelle (100) ausgehenden Lichtquellenabschnitt (100–103), einem ersten und einem zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler (105a, 105b) und einem ersten und einem zweiten optischen Kanal (21, 22) zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler (105a, 105b) umfasst, wobei der Lichtquellenabschnitt (100–103) dazu eingerichtet ist, einen ersten Beleuchtungslichtstrahl (203) mit Licht einer ersten und einer zweiten Hauptpolarisationsrichtung abzustrahlen, der erste Strahlteiler (105a) dazu eingerichtet ist, das Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den ersten (21) und das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den zweiten Kanal (22) zu führen, der zweite Strahlteiler (105b) dazu eingerichtet ist, aus Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten (21) und aus Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal (22) einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl (204) zu bilden, und die Kanäle (21, 22) dazu eingerichtet sind, das Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten (21) und das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal (22) mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln auszustrahlen. Ein entsprechendes Verfahren ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Optisches Rastermikroskop und Untersuchungsverfahren
Beschreibung Die Erfindung betrifft ein optisches Rastermikroskop und ein entsprechendes
Untersuchungsverfahren gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik In der modernen Funktionsbiologie ist häufig die Untersuchung dynamischer Prozesse in biologischen Systemen von Interesse. Für diese ist eine räumliche und zeitliche Interaktionsbzw. Manipulationsmöglichkeit mikroskopischer Proben von zentraler Bedeutung. Hierzu sind Verfahren wie FRAP (Fluorescence Recovery after Photobleaching), FLIP (Fluorescence Loss in Photobleaching), Uncaging und Photoactivation bekannt. In derartigen Verfahren wird die zu untersuchende Probe zur Manipulation typischerweise mittels eines fokussierten Laserstrahls abgerastert, wobei eine (in einem orthoskopischen Strahlengang eingesetzte) Rastervorrichtung zum Einsatz kommt.
Gleichzeitig ist eine Detektion des Experimentverlaufs in einem Weitfeldmikroskop mit optischer Schnittmöglichkeit wünschenswert. Eine Möglichkeit dazu ist beispielsweise die TIRF-Mikroskopie (Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy), bei der ein
Laserstrahl in die Eintrittspupille des Objektivs fokussiert wird, um eine flächige Ausleuchtung des Objektfelds zu erhalten. Diese Ausleuchtung erfolgt unter einem einstellbaren Winkel, der durch die Position des Laserstrahls in der Eintrittspupille bestimmt ist. Bei Beleuchtung unter einem Winkel, der nicht durch die Grenzfläche zwischen dem Probendeckglas und einer wässrigen Probe propagiert, erhält man Totalreflexion und eine dünne Ausleuchtung der Grenzfläche durch evaneszente Wellen. Zur genauen Einstellung des
Beleuchtungswinkels ist ein Positionskontrollsystem des Laserstrahls in der Eintrittspupille vonnöten. Auch hierzu lässt sich eine (in einem konoskopischen Strahlengang eingesetzte) Rastervorrichtung benutzen.
Zu weiteren Details sei auf einschlägige Fachliteratur verwiesen, beispielsweise bezüglich der TIRF-Mikroskopie auf D. Axelrod, Traffic 2, 764-774 (2001 ) und bezüglich der rasterbasierten Manipulation von mikroskopischen Proben mittels Rastersystemen konfokaler Mikroskope auf E. A. J. Reits, Nat. Cell Biol. 3, E145-E147 (2001 ). Zur
Positionierung des Laserstrahls in der Eintrittspupille sei beispielsweise auf die
DE 10 2006 033 306 A1 verwiesen.
Zur Umschaltung zwischen orthoskopischem und konoskopischem Strahlengang lässt sich beispielsweise gemäß der US 7 187 494 B2 eine Bertrandlinsenanordnung in den
Strahlengang eines orthoskopischen Rastersystems fahren, um ein konoskopisches
Rastersystem zu verwirklichen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die mechanische
Bewegung von Spiegeln, Prismen und Linsensystemen aufwendig und zudem inkompatibel mit den in der Aufgabenstellung geforderten Schaltzeiten unterhalb der relevanten biologischen Zeitskalen, z.B. von weniger als 10 ms ist.
In der US7573635B2 ist die Umschaltung mit Hilfe des Rastersystems selbst beschrieben. Das beschriebene Verfahren erfordert jedoch ein aufwendiges Spiegelsystem, weil die Rasterspiegeleinheit im konoskopischen Strahlengang mit mehreren Reflexionen genutzt wird, was ein entsprechendes System kompliziert und aufwendig in der Handhabung macht.
Aus der EP 1 752 809 B2 ist ein Vereinigungssystem für orthoskopische und konoskopische Beleuchtungsstrahlengänge bekannt, das jedoch den Nachteil besitzt, dass für eine konoskopische Beleuchtung immer nur ein Teil der Objektivpupille zugänglich ist.
Aus der DE 10 2013 222 562 A1 ist eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, mittels derer sich ein orthoskopischer und ein konoskopischer Strahlengang bereitstellen lässt. Hierbei wird ein Ringspiegel eingesetzt. Ein zentral durch den Ringspiegel, d.h. dessen unverspiegelten Bereich oder eine entsprechende Aussparung, tretender Beleuchtungslichtstrahl wird zur Erzeugung des orthoskopischen Strahlengangs genutzt. Ein peripher auf den Ringspiegel, d.h. dessen verspiegelten Bereich, treffender Beleuchtungslichtstrahl wird zur Erzeugung des konoskopischen Strahlengangs genutzt. Es kann also auch hier jeweils nur ein Teil des Strahlengangquerschnitts zur Erzeugung des orthoskopischen Strahlengangs bzw. des konoskopischen Strahlengangs genutzt werden.
Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist vor diesem Hintergrund unter anderem, sowohl die Kontrolle eines Laserstrahls in der Pupille als auch das Abrastern eines
Laserstrahls im Objektfeld eines Mikroskops durch ein und dieselbe Rastereinheit zu bewerkstelligen. Weiterhin soll die Umschaltung zwischen beiden Verwendungen der Rastereinheit schnell von statten gehen, so dass bei typischen Bildaufnahmeraten von ca. 100 Hz in mikroskopischen Lebendzellexperimenten keine Unterbrechungen entstehen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein optisches Rastermikroskop und ein Verfahren zum
Untersuchen einer Probe unter Verwendung eines derartigen Rastermikroskops mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die grundsätzliche Idee zugrunde, in einem
Rastermikroskop zu jedem Zeitpunkt sowohl einen orthoskopischen als auch einen konoskopischen Strahlengang verfügbar zu halten und die Umschaltung zwischen diesen beiden Strahlengängen mittels polarisierender Strahlteilungen zu realisieren. Auch die Kombination beider Strahlengänge wird mittels polarisationsoptischer Mittel bewerkstelligt.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor diesem Hintergrund ein optisches Rastermikroskop vor, das ein Beleuchtungssystem mit einem von einer Lichtquelle ausgehenden
Lichtquellenabschnitt, einem ersten und einem zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler und einem ersten und einem zweiten optischen Kanal zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler umfasst. In den Lichtquellenabschnitt des optischen Rastermikroskops ist eine Rastereinheit bekannter Art integriert, wie sie grundsätzlich bekannt ist und auch nachfolgend noch erläutert wird. Ist hier von einem„polarisationsabhängigen Strahlteiler" (engl. Polarizing Beam Splitter, PBS; in bestimmten Bauformen landläufig auch als„Polwürfel" bezeichnet) die Rede, sei hierunter ein optisches Element verstanden, das Licht unterschiedlicher
Polarisationsrichtungen unterschiedlich ablenkt. Beispielsweise kann ein polarisierender Strahlteiler Licht einer ersten Polarisationsrichtung unabgelenkt passieren lassen, Licht einer zweiten, unterschiedlichen Polarisationsrichtung hingegen in einem durch die Bauform und die optischen Materialien definierten Winkel ablenken. Hinsichtlich des fachmännischen Wissens zu polarisierenden Strahlteilern und die hierbei zugrunde liegenden physikalischen Grundlagen sei der Einfachheit halber auf einschlägige Fachliteratur, z.B. Bennett, J.M.: Polarizers, Kapitel 3 in: Bass, M.E. et al. (Hrsg.): Handbook of Optics. Fundamentals, Techniques & Design, Band 2, New York: McGraw-Hill, 2. Auflage 1995, verwiesen. In dem vorgeschlagenen optischen Rastermikroskop ist der Lichtquellenabschnitt dazu eingerichtet, einen ersten Beleuchtungslichtstrahl mit Licht einer ersten und einer zweiten Hauptpolarisationsrichtung abzustrahlen. Unter„Licht einer ersten Hauptpolarisationsrichtung" bzw.„Licht einer zweiten
Hauptpolarisationsrichtung" wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung Licht verstanden, das überwiegend oder ausschließlich Lichtwellen umfasst, die in einer ersten Polarisationsrichtung bzw. einer zweiten Polarisationsrichtung vorliegen oder deren
Polarisationsrichtungen jeweils in einem eng begrenzten Winkelbereich von beispielsweise ± 10° ± 5°oder ± 1 °liegen. Durch eine unvollständi ge Polarisierung können geringere Anteile auch in einer oder mehreren anderen Polarisationsrichtungen vorliegen. Die Formulierung, wonach entsprechendes Licht„überwiegend oder ausschließlich" Lichtwellen umfasst, die in der ersten Polarisationsrichtung bzw. der zweiten Polarisationsrichtung vorliegen, gibt dabei beispielsweise an, dass weniger als 25%, 10%, 5% oder 1 % in einer abweichenden
Polarisationsrichtung vorliegen. Die erste und die zweite Polarisationsrichtung sind orthogonal zueinander ausgerichtet. Hierbei schließt die orthogonale Ausrichtung sowohl zirkulär polarisiertes Licht ein als auch linear polarisiertes Licht, das in zwei
Polarisationsrichtungen vorliegt Das Licht der ersten und der zweiten Hauptpolarisationsrichtung kann dabei gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig, d.h. zu einem Zeitpunkt in ein und demselben
Beleuchtungslichtstrahl, bereitgestellt werden. Ist dies der Fall, umfasst der
Beleuchtungslichtstrahl entsprechendes Beleuchtungslicht eines Polarisationszustands, der einer Linearkombination orthogonaler Hauptpolarisationsrichtungen entspricht. Der
Beleuchtungslichtstrahl kann jedoch auch nacheinander mit der ersten
Hauptpolarisationsrichtung und dann mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung abgestrahlt werden, wie auch nachfolgend erläutert. In letzterem Fall umfasst der Beleuchtungslichtstrahl in einem ersten Zeitraum Licht mit überwiegend oder ausschließlich der ersten
Hauptpolarisationsrichtung und in einem zweiten Zeitraum Licht mit überwiegend oder ausschließlich der zweiten Hauptpolarisationsrichtung. Das Licht muss aber auch hier nicht notwendigerweise vollständig polarisiert sein; zur Ausblendung von Restlicht einer abweichenden Polarisationsrichtung kann beispielsweise eine unten erläuterte Anordnung mit optischen Verschlüssen verwendet werden. Die grundsätzliche erfinderische Idee, nämlich den orthoskopischen und den
konoskopischen Strahlengang gleichzeitig bereitzuhalten, wird durch die Verwendung der unterschiedlichen optischen Kanäle zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler umgesetzt. Hierzu ist vorgesehen, dass der erste Strahlteiler in dem erfindungsgemäßen Rastermikroskop dazu eingerichtet ist, das Licht des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den ersten Kanal und das Licht des ersten Beleuchtungslichtstrahls mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den zweiten Kanal zu führen. An dem ersten Strahlteiler erfolgt also eine unterschiedliche„Behandlung" des Lichts mit der ersten bzw. der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung.
Ein zwischen dem Lichtquellenabschnitt und dem ersten Strahlteiler in einem gemeinsamen Strahlengangabschnitt verlaufender Beleuchtungslichtstrahl wird also polarisationsabhängig in den ersten bzw. den zweiten Kanal überführt. Auf diese Weise lässt sich das Licht des ersten Kanals unterschiedlich zu dem Licht des zweiten Kanals beeinflussen, beispielsweise bereits alleine durch unterschiedliche optische Längen der beiden Kanäle und/oder durch unterschiedliche optische Elemente in den beiden Kanälen.
Das erfindungsgemäß in die zwei Kanäle geführte Licht mit der ersten bzw. der zweiten Hauptpolarisationsrichtung wird anschließend wieder in einen gemeinsamen
Strahlengangabschnitt geführt. Hierzu ist der zweite Strahlteiler erfindungsgemäß dazu eingerichtet, aus Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten Kanal und aus Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl zu bilden.
Wird hierbei beispielsweise mittels des Lichtquellenabschnitts in einem ersten Zeitraum der Beleuchtungslichtstrahl überwiegend oder ausschließlich mit Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung abgestrahlt, tritt dieses Licht überwiegend oder ausschließlich in den ersten Kanal und aus diesem in den zweiten Strahlteiler ein. Der zweite Strahlteiler bildet dann den zweiten Beleuchtungslichtstrahl überwiegend oder ausschließlich aus dem Licht aus dem ersten Kanal. Der zweite Beleuchtungslichtstrahl umfasst auf diese Weise überwiegend oder ausschließlich das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung. In einem zweiten Zeitraum, in dem mittels des Lichtquellenabschnitts der
Beleuchtungslichtstrahl überwiegend oder ausschließlich mit Licht der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung abgestrahlt wird, tritt dieses Licht über den ersten Strahlteiler überwiegend oder ausschließlich in den zweiten Kanal und aus diesem in den zweiten Strahlteiler ein. Der zweite Strahlteiler bildet auf diese Weise den zweiten
Beleuchtungslichtstrahl überwiegend oder ausschließlich aus dem Licht der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal. Wird durch den Lichtquellenabschnitt hingegen der Beleuchtungslichtstrahl derart abgestrahlt, dass er gleichzeitig Licht der ersten und der zweiten Hauptpolarisationsrichtung umfasst, tritt das Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung über den ersten Strahlteiler überwiegend oder ausschließlich in den ersten und das Licht mit der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung überwiegend oder ausschließlich in den zweiten Kanal über. Um zu vermeiden, dass sowohl das Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung als auch das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung gleichzeitig aus dem ersten und dem zweiten Kanal in den Strahlteiler eintritt und der zweite Beleuchtungslichtstrahl auf diese Weise mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung und der zweiten Hauptpolarisationsrichtung gleichzeitig gebildet wird, was ggf. nicht erwünscht ist, können in dem ersten Kanal und/oder dem zweiten Kanal jeweils geeignete optische Verschlüsse ausgebildet sein, die jeweils entweder den ersten Kanal oder den zweiten Kanal optisch blockieren. Auch auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass mittels des zweiten Strahlteilers der zweite
Beleuchtungslichtstrahl immer lediglich aus Licht einer der beiden
Hauptpolarisationsrichtungen gebildet wird.
Wie bereits angesprochen, sind erfindungsgemäß die beiden genannten optischen Kanäle dazu eingerichtet, das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten Kanal und das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln auszustrahlen.
Beispielsweise kann der erste Kanal dazu eingerichtet sein, das Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung in Form eines divergenten Lichtstrahls bzw. Lichtbündels auszustrahlen und der zweite Kanal kann dafür eingerichtet sein, das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal in Form eines kollimierten Lichtstrahls auszustrahlen. Hierzu sind, wie bereits erwähnt, unterschiedliche optische Weglängen und/oder optische Elemente in den beiden Kanälen vorgesehen. Grundsätzlich kann eine parallele Bereithaltung eines orthoskopischen und eines konoskopischen Strahlengangs jedoch auch auf andere Weise als hier und nachfolgend erläutert erfolgen.
Vorteilhafterweise ist in einem entsprechenden Rastermikroskop der Lichtquellenabschnitt dazu eingerichtet, den ersten Beleuchtungslichtstrahl in Form eines kollimierten Lichtbündels bereitzustellen, d.h. eine Lichtquelle wird ins Unendliche abgebildet. Durch die beiden unterschiedlichen Kanäle kann eine Rastereinheit jedoch später entweder entlang des orthoskopischen Strahlengangs in die Objektivpupille und von dort durch ein objektseitig telezentrisches Objektiv ins Unendliche abgebildet werden, wobei die Lichtquelle in die Probe (vordere Brennebene des Objektivs) abgebildet wird, oder die Rastereinheit wird entlang des konoskopischen Strahlengangs in die Probe abgebildet, wobei dann wiederum die Lichtquelle im Unendlichen bleibt.
Vorteilhafterweise ist dem ersten Strahlteiler ein erstes optisches Element vorgeschaltet, das dazu eingerichtet ist, den in Form des kollimierten Lichtbündels bereitgestellten
Beleuchtungslichtstrahl in Form eines konvergenten Lichtbündels in den ersten Strahlteiler einzustrahlen. Da dieser im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise keine konvergenzbeeinflussenden Eigenschaften aufweist, wird das in Form des konvergenten Lichtbündels in den ersten Strahlteiler eingestrahlte Licht aus diesem auch konvergent in die bereits angesprochenen Kanäle geführt. Das erste optische Element kann im einfachsten Fall beispielsweise in Form einer Sammellinse, gegebenenfalls mit geeigneten optischen Korrekturmitteln, ausgebildet sein. Es fokussiert das kollimierte Lichtbündel des
Beleuchtungslichtstrahls in eine bildseitige Ebene des ersten optischen Elements. Auf diese Weise divergiert das unter Verwendung des ersten optischen Elements fokussierte Licht jenseits des Brennpunkts des ersten optischen Elements und kann auf diese Weise ohne weitere optische Beeinflussung beispielsweise aus dem ersten Kanal in Form eines divergenten Lichtbündels aus- und in den zweiten Strahlteiler eingestrahlt werden. In dem zweiten optischen Kanal kann ein entsprechendes, jenseits des Brennpunkts divergierendes Lichtbündel durch geeignete optische Elemente und Umlenkeinrichtungen umgelenkt, kollimiert, und kollimiert aus dem zweiten Kanal aus- und in den zweiten Strahlteiler eingestrahlt werden. Insbesondere kann in dem zweiten Kanal hierzu ein Teil eines
Bertrandlinsensystems vorgesehen sein, wie aus der DE 10 2013 222 562 A1 bekannt. Der Rest des Bertrandlinsensystems wird vorteilhafterweise durch ein zweites, unten erläutertes optisches Element gebildet, das sich jenseits des zweiten Strahlteilers befindet,
beispielsweise eine Tubuslinse.
Wie bereits erwähnt, ist vorteilhafterweise der erste Kanal dazu eingerichtet, Licht zumindest überwiegend divergent in den zweiten Strahlteiler einzustrahlen, und der zweite Kanal ist vorteilhafterweise dazu eingerichtet, Licht zumindest überwiegend kollimiert in den zweiten Strahlteiler einzustrahlen. Weil der erste Kanal überwiegend oder ausschließlich Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung führt, wird dieses aus dem ersten Kanal in Form eines divergenten Lichtbündels aus- und in den zweiten Strahlteiler eingestrahlt. Das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal wird hingegen in Form eines kollimierten Lichtbündels in den zweiten Strahlteiler eingestrahlt. Entsprechendes Licht kann nach dem Passieren des zweiten Strahlteilers in jeglicher gewünschter Weise optisch beeinflusst werden. Vorteilhafterweise ist insbesondere dem zweiten Strahlteiler ein bereits erwähntes zweites optisches Element nachgeschaltet, das dazu eingerichtet ist, divergent aus dem zweiten Strahlteiler ausgestrahltes Licht (mit überwiegend oder ausschließlich der ersten
Hauptpolarisationsrichtung) zu kollimieren, und divergent aus dem zweiten Strahlteiler ausgestrahltes Licht (mit überwiegend oder ausschließlich der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung) zu fokussieren. Insbesondere kann es sich bei diesem zweiten optischen Element um die Tubuslinse des Rastermikroskops handeln.
Insbesondere kann entsprechend kollimiertes Licht in ein Objektiv eingestrahlt werden, wobei der Winkel, unter dem dieses kollimierte Licht in eine hintere Objektivpupille trifft, mittels einer Rastereinheit verändert werden kann. Auf diese Weise kann eine
Rasterbeleuchtung und Probenmanipulation durchgeführt werden. Durch die Fokussierung des kollimierten Lichtbündels aus dem zweiten Strahlteiler in die hintere Objektivpupille kann beispielsweise eine evaneszente Beleuchtung realisiert werden, indem durch die
Rastereinheit die laterale Fokuslage in der hinteren Objektivpupille beeinflusst wird. Dadurch wird der Austrittswinkel des durch das Objektiv wiederum kollimierten Lichtbündels beeinflusst, und damit der Auftreffwinkel des Lichtbündels auf die Probe bzw. die Grenzfläche zwischen Immersionsmedium bzw. Deckglas und Probe. Besonders vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung also im Zusammenhang mit einem optischen Rastermikroskop mit einem in einer Objektivaufnahme anbringbaren und in einer Objektivposition positionierbaren Objektiv mit einer hinteren Objektivpupille, wobei das zweite optische Element dazu eingerichtet ist, das Licht mit der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung in eine Ebene der hinteren Objektivpupille zu fokussieren. Das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung, das durch das zweite optische Element kollimiert wird, tritt hingegen in kollimierter Form durch die hintere Objektivpupille.
Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann durch den Lichtquellenabschnitt eine gleichzeitige Bereitstellung von Licht mit der ersten und der zweiten Hauptpolarisationsrichtung oder eine Bereitstellung von Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung in einem ersten Zeitraum und Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung mit einem zweiten Zeitraum
vorgenommen werden. In letzterem Fall erfolgt vorzugsweise eine schnelle Umschaltung zwischen Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung und Licht mit der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung durch den verwendeten Lichtquellenabschnitt.
Für eine entsprechende schnelle Umschaltung zwischen Licht mit der ersten
Hauptpolarisationsrichtung und Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung wird vorteilhafterweise ein umschaltbares Verzögerungselement eingesetzt. Dieses umschaltbare Verzögerungselement kann beispielsweise eine in den Strahlengang des
Lichtquellenabschnitts einschwenkbare oder im Strahlengang rotierbar angeordnete
Verzögerungsplatte, beispielsweise eine λ/2-Platte oder mehrere entsprechender Platten, umfassen. Mit besonderem Vorteil können als Verzögerungselemente jedoch auch elektrooptische Systeme und/oder akustooptische Systeme und/oder Systeme, die auf Flüssigkristallbasis realisiert sind, zum Einsatz kommen. Entsprechende Elemente zur Bereitstellung polarisierten Lichts sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so dass hierzu auf einschlägige Fachliteratur verwiesen werden kann.
Wird hingegen, wie es grundsätzlich ebenfalls möglich ist, durch den Lichtquellenabschnitt zeitgleich Licht mit zwei unterschiedlichen Hauptpolarisationsrichtungen abgestrahlt, beispielsweise indem Licht zweier unterschiedlich polarisierter Laser verwendet und in dem ersten Beleuchtungslichtstrahl zusammengeführt wird oder durch unzureichende Polarisation des Lichts entlang einer Hauptpolarisationsrichtung z. B. durch Unzulänglichkeiten der polarisationsoptischen Bauelemente, kann anstelle eines entsprechenden
Verzögerungselements oder auch zusätzlich dazu ein schneller Verschluss in einem oder beiden der Kanäle vorgesehen sein. Immer dann, wenn Licht mit einer ersten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten Kanal benötigt wird, wird in diesem Fall der zweite Kanal mit einem entsprechenden Verschluss gesperrt und umgekehrt. Entsprechende schnelle Verschlüsse können beispielsweise in Form von synchronisiert rotierenden Blenden oder Blendensegmente, Irisblenden, schnellen LCD-Einrichtungen, elektrooptischen
Elementen und/oder akustooptischen Elementen ausgebildet sein. In einem optischen Rastermikroskop gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind entlang des ersten Kanals optische Elemente bereitgestellt, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Galilei-Fernrohr bilden, das einen oder mehrere reelle oder virtuelle Ablenkpunkte der Rastereinrichtung in die oder nahe an die Objektivpupille abbildet. Unter einem„reellen oder virtuellen Ablenkpunkt", wird dabei ein Punkt bezeichnet, der auf einer entsprechenden Rastereinheit Licht einer Lichtquelle räumlich begrenzt („punktförmig") ablenkt und damit einen Rasterlichtstrahl bereitstellt. Reell sind entsprechende Ablenkpunkte, wenn sie durch tatsächlich vorhandene Elemente, beispielsweise Spiegel, gebildet werden,„virtuelle" Ablenkpunkte sind Abbildungen entsprechender Elemente im Raum.
Mit besonderem Vorteil ist das Beleuchtungssystem der vorliegenden Erfindung entnehmbar ausgebildet, wobei insbesondere der erste und der zweite Strahlteiler und der erste und der zweite Kanal, der zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler ausgebildet ist, auf einem aus dem Rastermikroskop entnehmbaren Einschub angeordnet sind.
Vorteilhafterweise weist das optische Rastermikroskop Mittel zur Adaption als Teilmodul an ein Weitfeldmikroskop aufweist.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Untersuchung einer Probe mittels eines optischen Rastermikroskops, das ein Beleuchtungssystem mit einem Lichtquellenabschnitt, einem ersten und einem zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler und einem ersten und einem zweiten optischen Kanal zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, unter Verwendung des Lichtquellenabschnitts einen ersten Beleuchtungslichtstrahl mit Licht einer ersten und einer zweiten
Hauptpolarisationsrichtung abzustrahlen, unter Verwendung des ersten Strahlteilers das Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den ersten und das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den zweiten Kanal zu führen, unter Verwendung des zweiten Strahlteilers aus Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten und aus Licht der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal einen zweiten Beleuchtungslichtstrahl zu bilden, und das Licht mit der ersten Polarisierung aus unter Verwendung des ersten Kanals und das Licht mit der zweiten Polarisierung unter Verwendung des zweiten Kanal mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln auszustrahlen.
Insbesondere kann in einem entsprechenden Verfahren ein Rastermikroskop eingesetzt werden, wie es zuvor beschrieben und ausführlich erläutert wurde. Zu Merkmalen und Vorteilen eines entsprechenden Verfahrens sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt einen Strahlengang eines Rastermikroskops mit einem
Beleuchtungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt einen Strahlengang eines Rastermikroskops mit einem
Beleuchtungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.
Figur 3 zeigt einen Strahlengang eines Rastermikroskops mit einem
Beleuchtungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter, schematischer Darstellung.
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben. Auf eine wiederholte Erläuterung wird der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren 1 bis 3 sind jeweils Strahlengänge eines Rastermikroskops mit einem
Beleuchtungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung gezeigt. Die in den Figuren 1 bis 3 veranschaulichten
Ausführungsformen umfassen dabei eine Vielzahl gemeinsamer Elemente, die nachfolgend zunächst unter Bezugnahme auf die Figur 1 erläutert werden. Die Erläuterungen gelten auch für die übrigen Figuren. Ein in Figur 1 veranschaulichtes Rastermikroskop, das hier insgesamt stark schematisiert veranschaulicht, strichpunktiert umfasst, und mit 1 bezeichnet ist, umfasst ein in einer Objektivaufnahme 11 aufgenommenes Objektiv 12 an einer Objektivposition 10.
Objektivaufnahmen unterschiedlicher Art können vorgesehen sein, beispielsweise
Objektivrevolver, lineare Objektivwechselmechanismen und dergleichen. Eine Objektivpupille des Objektivs 12 ist mit 109 bezeichnet. Ein Beleuchtungssystem eines entsprechenden Rastermikroskops ist insgesamt mit 20 bezeichnet. Ein orthoskopischer Strahlengang ist mit 200, ein konoskopischer Strahlengang mit 201 (gestrichelt) veranschaulicht. Der orthoskopische Strahlengang 200 und der konoskopische Strahlengang 201 verlaufen dabei über bestimmte Strecken des
Beleuchtungssystems 20 bzw. eines darin realisierten Strahlengangs gemeinsam, in einem ersten optischen Kanal 21 und einem zweiten optischen Kanal 22 hingegen getrennt voneinander. Der erste Kanal 21 und der zweite Kanal 22 sind dabei jeweils zwischen einem ersten polarisationsabhängigen Strahlteiler 105a und einem zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler 105b ausgebildet.
Zur Umschaltung zwischen dem orthoskopischen und dem konoskopischen Strahlengang 201 werden zwei, beispielsweise zueinander orthogonale, Hauptpolarisationsrichtungen eines durch eine Lichtquelle 100 bereitgestellten Beleuchtungslichtstrahls genutzt. Hierzu kann eine entsprechende Lichtquelle 100 genutzt werden, die bereits entsprechend polarisiertes Beleuchtungslicht bereitstellt. Bei der Lichtquelle 100 kann es sich
beispielsweise um eine Laserlichtquelle, eine polarisationserhaltende Lichtleitfaser oder ein geeignetes Polarisationselement, oder eine Lichtquelle für unpolarisiertes Licht mit einem entsprechenden Polarisationselement handeln. Eine Umschaltung der Hauptpolarisationsrichtung eines durch eine entsprechende
Lichtquelle 100 bereitgestellten Beleuchtungslichtstrahls kann durch unterschiedliche Anordnungen, die hier stark vereinfacht mit 102 veranschaulicht sind, realisiert werden. Beispielsweise kann eine entsprechende Anordnung 102 ein schnell mechanisch schaltbares Verzögerungselement (beispielsweise eine λ/2-Platte) umfassen, das vorzugsweise an einer Stelle des Strahlengangs bzw. des Beleuchtungslichtstrahls mit geringem Strahldurchmesser und konstanter Strahlposition angeordnet ist. Beispielsweise kann ein entsprechendes Verzögerungselement bzw. eine entsprechende Anordnung 102 zwischen einem
Faserkollimator und vor einem Strahlaufweitungssystem, wie hier vereinfacht mit 101 veranschaulicht, angeordnet sein.
Weitere Möglichkeiten zur Umschaltung zwischen den Hauptpolarisationsrichtungen mittels einer entsprechenden Anordnung 102 sind beispielsweise akustooptische, elektrooptische oder Flüssigkristallelemente, wie sie aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt sind. In der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein aus der Lichtquelle 100, der Anordnung 102, dem Strahlaufweitungssystem 101 und einer Scaneinrichtung 103 gebildeter Lichtquellenabschnitt stets entweder Licht einer ersten oder einer zweiten Hauptpolarisationsrichtung zur Verfügung. Abweichende Ausführungsformen sind beispielsweise unter Bezugnahme auf die Figur 3 erläutert.
Eine Scaneinrichtung bzw. Rastereinheit 103 ist in an sich bekannter Weise ausgebildet, diese umfasst beispielsweise verkippbare Spiegel, rotierbare Prismen und/oder
akustooptische Mittel wie sie grundsätzlich ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind. Insgesamt wird durch den Lichtquellenabschnitt 100 bis 103 damit ein
Beleuchtungslichtstrahl, hier mit 203 veranschaulicht, bereitgestellt, der wahlweise eine erste Hauptpolarisationsrichtung oder eine zweite Hauptpolarisationsrichtung aufweist und im dargestellten Beispiel in kollimierter Form von der Rastereinheit 103 abgestrahlt wird.
Der Beleuchtungslichtstrahl 203 durchtritt anschließend ein erstes optisches Element 104 aus einer oder mehreren Linsen und wird auf diese Weise fokussiert. Der
Beleuchtungslichtstrahl 203 mit der ersten oder der zweiten Hauptpolarisationsrichtung tritt fokussiert bzw. konvergent in den ersten polarisationsabhängigen Strahlteiler 105a ein. An einer Grenzschicht des ersten polarisationsabhängigen Strahlteilers 105a wird das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung, wie hier in Form des gestrichelten konoskopischen Strahlengangs 201 veranschaulicht reflektiert, Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung durchtritt hingegen die Grenzschicht unabgelenkt.
Auf diese Weise führt der erste polarisationsabhängige Strahlteiler 105a das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung in den ersten optischen Kanal 21 und das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung in den zweiten Kanal 22. Jenseits eines jeweiligen Brennpunkts in dem ersten Kanal 21 bzw. dem zweiten Kanal 22 verläuft das Licht mit der ersten bzw. der zweiten Polarisierung jeweils divergent. Im dargestellten Beispiel tritt das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung in dem ersten Kanal 21 , wie hier mit dem orthoskopischen Strahlengang 200 veranschaulicht, divergent aus dem ersten Kanal aus und in den zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler 105b ein. Durch einen Verschluss 110 kann dabei verhindert werden, dass Fehllicht in den zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler eintritt.
In dem ersten Kanal 21 sind in der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform keine weiteren optischen Elemente vorgesehen. In dem zweiten optischen Kanal 22 sind hingegen weitere optische Elemente 106a und 106b vorgesehen. Das in dem zweiten Kanal 22 verlaufende Licht mit der zweiten Polarisierung wird ferner über Umlenkelemente 107a und 107b umgelenkt. Mittels der optischen Elemente 106a und 106b wird das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung in dem zweiten Kanal 22 kollimiert und tritt in kollimierter Form in den zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler 105b ein.
Entsprechend tritt das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten Kanal 21 nach dem Durchlaufen des zweiten polarisationsabhängigen Strahlteilers 105b divergent aus diesem aus, das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal 22 tritt nach dem Durchlaufen des zweiten Kanals und des zweiten
polarisationsabhängigen Strahlteilers 105b hingegen kollimiert aus diesem aus. Unter Verwendung eines zweiten optischen Elements 108, beispielsweise einer Tubuslinse, kann das kollimierte Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten optischen Kanal fokussiert, das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten optischen Kanal hingegen kollimiert werden. Das zweite optische Element 108 bildet mit den bereits erläuterten optischen Elementen 106a und 106b eine Bertrandlinse. Durch die Ausbildung des ersten optischen Kanals 21 und des zweiten optischen Kanals 22 und die Anordnung der erläuterten Linsen kann das Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung in kollimierter Form in die hintere Objektivpupille 109 des Objektivs 12 eintreten, das Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung kann hingegen in die hintere Objektivpupille 109 des Objektivs 12 fokussiert werden. Das zweite optische Element 108 bildet zusammen mit dem ersten optischen Element 104 ein Galilei-Fernrohr, das den oder die durch die
Scaneinrichtung 103 bedingten reellen oder virtuellen Ablenkpunkte des
Beleuchtungslichtstrahls in die oder nahe der Objektivpupille 109 abbildet.
Eine Detektion von Fluoreszenzlicht einer Probe, die vor dem Objektiv 12 angeordnet ist, kann durch ein konventionelles Weitfeldfluoreszenzmikroskop erfolgen. Das
Beleuchtungssystem 20 der hier erläuterten Ausführungsformen kann in einem solchen Weitfeldfluoreszenzmikroskop in den Fluoreszenzbeleuchtungsstrahlengang an einer geeigneten Stelle eingekoppelt werden und entfernbar ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das aus den optischen Elementen 106a, 106b und 108 gebildete Bertrandlinsensystem eine variable Fokussierung aufweist, das an unterschiedliche mechanische Positionen der Objektivpupille 109 eine Fokussierung erlaubt, beispielsweise bei Nutzung unterschiedlicher Objektive oder einer Revolverfokussierung. Besonders vorteilhaft ist es, dass das zweite optische Element 108, das, wie erwähnt, beispielsweise in Form einer Tubuslinse ausgebildet sein kann, in einem entsprechenden fokussierbaren Bertrandlinsensystem konstant gehalten werden kann und daher auch bei einem Wechsel des Beleuchtungssystems 20 nicht entfernt werden muss, sowie die Afokalität des Galilei- Fernrohrs bestehend aus den Elementen 104 und 108 gewahrt bleibt. Die in Figur 2 veranschaulichte Ausführungsform des Rastermikroskops 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform durch das Fehlen des Verschlusses 110. Dieser erlaubt, wie erwähnt, in der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform des Rastermikroskops 1 eine Ausblendung von Falschlicht aufgrund nicht idealer
Lichtpolarisation. Ist dies nicht erforderlich, weil durch einen Lichtquellenabschnitt 100 bis 103 bereits ausreichend polarisiertes Licht bereitgestellt wird, kann auf diesen zusätzlichen Verschluss 110 verzichtet werden, wodurch eine einfachere mechanische Ausbildung des Mikroskops 2 möglich wird. In der in Figur 3 veranschaulichten Ausführungsform des Rastermikroskops 3 ist kein variables Verzögerungselement bzw. eine entsprechende Anordnung 102, wie sie in den in Figur 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsformen vorhanden ist, vorgesehen. Stattdessen sind sowohl in dem ersten Kanal 21 als auch in dem zweiten Kanal 22 schnelle
Verschlusselemente 110 und 111 vorgesehen. Der Lichtquellenabschnitt 100 bis 103 bzw. die Lichtquelle 100 stellt in diesem Fall beispielsweise Beleuchtungslicht eines fixen
Polarisationszustands bereit, der eine Lichtlinearkombination zweier orthogonaler
Hauptpolarisationsrichtungen darstellt. Daher wird auch mittels des ersten
polarisationsabhängigen Strahlteilers 105a Beleuchtungslicht in beide Kanäle 21 und 22 gelenkt. Durch die alternierende Nutzung der Verschlüsse 110 und 111 der beiden Kanäle 21 und 22 lässt sich nun selektiv ein Strahlengang blockieren und auf diese Weise Licht durch den jeweils nur einen Kanal zum Objektiv 12 führen. Selbstverständlich ist es auch möglich, durch entsprechende Ansteuerung der Verschlüsse 110 und 111 Licht durch keinen oder durch beide Kanäle 21 und 22 bereitzustellen.
Bezugszeichenliste
1 , 2, 3 Rastermikroskop
10 Objektivposition
11 Objektivaufnahme
12 Objektiv
20 Beleuchtungssystem
21 erster optischer Kanal
22 zweiter optischer Kanal
100 Lichtquelle
101 Strahlaufweitungssystem
102 Verzögerungselement
103 Rastereinheit
104 erstes optisches Element
105a, 105b polarisationsabhängiger Strahlteiler 106a, 106b weitere optische Elemente
107a, 107b Strahlumlenkelemente
108 zweites optisches Element
109 Eintrittspupille Objektiv
110 Verschluss
111 Verschluss
200 orthoskopischer Strahlengang
201 konoskopischer Strahlengang 203 erster Beleuchtungslichtstrahl 204 zweiter Beleuchtungslichtstrahl

Claims

Patentansprüche
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3), das ein Beleuchtungssystem (20) mit einem von einer Lichtquelle (100) ausgehenden Lichtquellenabschnitt (100-103), einem ersten polarisationsabhängigen Strahlteiler (105a) und einem zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler (105a, 105b) und einem ersten und einem zweiten optischen Kanal (21 , 22) zwischen dem ersten und dem zweiten polarisationsabhängigen Strahlteiler (105a, 105b) umfasst, wobei
- der Lichtquellenabschnitt (100-103) dazu eingerichtet ist, einen ersten
Beleuchtungslichtstrahl (203) mit Licht einer ersten und einer zweiten
Hauptpolarisationsrichtung abzustrahlen,
- der erste Strahlteiler (105a) dazu eingerichtet ist, das Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den ersten (21 ) und das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den zweiten Kanal (22) zu führen,
- der zweite Strahlteiler (105b) dazu eingerichtet ist, aus Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten (21 ) und aus Licht der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal (22) einen zweiten
Beleuchtungslichtstrahl (204) zu bilden, und
- die Kanäle (21 , 22) dazu eingerichtet sind, das Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten (21 ) und das Licht der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal (22) mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln auszustrahlen.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach Anspruch 1 , bei dem der
Lichtquellenabschnitt (100-103) dazu eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl (203) kollimiert abzustrahlen. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach Anspruch 2, bei dem dem ersten
Strahlteiler (105a) ein erstes optisches Element (104) vorgeschaltet ist, das dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl (203) zu fokussieren und konvergent in den ersten Strahlteiler (105a) einzustrahlen.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach Anspruch 3, bei dem der erste Kanal (21 ) dazu eingerichtet ist, Licht zumindest überwiegend divergent in den zweiten Strahlteiler (105b) einzustrahlen, und bei dem der zweite Kanal (22) dazu eingerichtet ist, Licht zumindest überwiegend kollimiert in den zweiten Strahlteiler (105b) einzustrahlen.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach Anspruch 4, bei dem dem zweiten Strahlteiler (105b) ein zweites optisches Element (108) nachgeschaltet ist, das dazu eingerichtet ist, divergent von dem zweiten Strahlteiler (105b) abgestrahltes Licht zu kollimieren und kollimiert von dem zweiten Strahlteiler (105b) abgestrahltes Licht zu fokussieren.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach Anspruch 5, mit einem in einer
Objektivaufnahme (1 1 ) anbringbaren und in einer Objektivposition (10) positionierbaren Objektiv (12) mit einer hinteren Objektivpupille (109), wobei das zweite optische Element (104) dazu eingerichtet ist, das kollimiert aus dem zweiten Strahlteiler (105b)
austretende Licht in eine Ebene der hinteren Objektivpupille (109) zu fokussieren.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem zweiten Kanal (22) zumindest ein Teil eines Bertrandlinsensystems (106a, 106b) bereitgestellt ist.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem durch das Licht der ersten Hauptpolarisationsrichtung ein orthoskopischer Strahlengang (200) und durch das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung ein konoskopischer Strahlengang (201 ) in dem Beleuchtungssystem (20) ausgebildet wird.
Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Lichtquellenabschnitt (100-103) dazu eingerichtet ist, den ersten
Beleuchtungslichtstrahl (203) in einem ersten Zeitraum mit Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung und in einem zweiten Zeitraum mit Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung abzustrahlen.
10. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach Anspruch 9, bei dem zum Abstrahlen des Beleuchtungslichtstrahls (203) mit Licht mit der ersten Hauptpolarisationsrichtung in dem ersten Zeitraum und mit Licht mit der zweiten Hauptpolarisationsrichtung in einem zweiten Zeitraum ein umschaltbares Verzögerungselement (102) bereitgestellt ist.
1 1 . Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Lichtquellenabschnitt (100-103) dazu eingerichtet ist, den ersten Beleuchtungslichtstrahl (203) zeitgleich mit Licht der ersten und der zweiten Hauptpolarisationsrichtung abzustrahlen.
12. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungseinheit (20) eine Rastereinheit (103) umfasst.
13. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei entlang des ersten Kanals (21 ) optische Elemente (104, 108) bereitgestellt sind, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie ein Galilei-Fernrohr bilden, das einen oder mehrere reelle oder virtuelle Ablenkpunkte der Rastereinrichtung (103) in die oder nahe an die Objektivpupille (109) abbildet. 14. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in dem ersten Kanal (21 ) ein und/oder in dem zweiten Kanal (22) ein optischer
Verschluss angeordnet ist.
15. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der erste und der zweite Strahlteiler (105a, 105b) und der erste und der zweite
Kanal (21 , 22) auf einem aus dem Rastermikroskop (1 , 2, 3) entnehmbaren Einschub angeordnet sind.
16. Optisches Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das
Mittel zur Adaption als Teilmodul an ein Weitfeldmikroskop aufweist.
17. Verfahren zum Untersuchen einer Probe mittels eines optischen
Rastermikroskops (1 , 2, 3), das ein Beleuchtungssystem (20) mit einem
Lichtquellenabschnitt (100-103), einem ersten und einem zweiten
polarisationsabhängigen Strahlteiler (105a, 105b) und einem ersten und einem zweiten optischen Kanal (21 , 22) zwischen dem ersten und dem zweiten Strahlteiler (105a, 105b) umfasst, wobei - unter Verwendung des Lichtquellenabschnitts (100-103) ein erster
Beleuchtungslichtstrahl (203) mit Licht einer ersten und einer zweiten
Hauptpolarisationsrichtung abgestrahlt wird,
- unter Verwendung des ersten Strahlteilers (105a) das Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den ersten (21 ) und das Licht der zweiten Hauptpolarisationsrichtung zumindest überwiegend in den zweiten Kanal (22) geführt wird, unter Verwendung des zweiten Strahlteilers (105b) aus Licht der ersten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem ersten (21 ) und aus Licht der zweiten
Hauptpolarisationsrichtung aus dem zweiten Kanal (22) ein zweiter
Beleuchtungslichtstrahl (204) gebildet wird, und
- das Licht mit der ersten Polarisierung aus unter Verwendung des ersten Kanals (21 ) und das Licht mit der zweiten Polarisierung unter Verwendung des zweiten Kanal (22) mit unterschiedlichen Konvergenzwinkeln ausgestrahlt wird. 18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem ein Rastermikroskop (1 , 2, 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 eingesetzt wird.
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