EP3494429A1 - Mikroskop, insbesondere lichtscheiben- oder konfokalmikroskop und nachrüstsatz für ein mikroskop - Google Patents

Mikroskop, insbesondere lichtscheiben- oder konfokalmikroskop und nachrüstsatz für ein mikroskop

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Publication number
EP3494429A1
EP3494429A1 EP17749427.5A EP17749427A EP3494429A1 EP 3494429 A1 EP3494429 A1 EP 3494429A1 EP 17749427 A EP17749427 A EP 17749427A EP 3494429 A1 EP3494429 A1 EP 3494429A1
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EP
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microscope
color
optical
illumination
wavelengths
Prior art date
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Pending
Application number
EP17749427.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Fahrbach
Werner Knebel
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Leica Microsystems CMS GmbH
Original Assignee
Leica Microsystems CMS GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • G01N21/6458—Fluorescence microscopy
    • G—PHYSICS
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    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
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    • G02B27/0031—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration for scanning purposes
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    • G02B27/0068—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements

Definitions

  • Microscope in particular a disc or confocal microscope
  • the invention relates to a microscope, in particular a lens or confocal microscope, with an illumination optical system for transmitting light of at least two wavelengths of at least one light source along each wavelength-dependent beam path from a lighting side of the illumination optical system to a sample side of the illumination optical system.
  • the invention further relates to an optical Nachrustsatz for a microscope, in particular for a lens or confocal microscope having an illumination optical system for transmitting light at least two wavelengths of at least one light source along each wavelength-dependent beam path from a lighting side of the illumination optical system to a sample side of the illumination optical system.
  • Microscopes such as a lense microscope or a confocal microscope
  • a lense microscope or a confocal microscope have in common that an illumination optical system does not illuminate the complete sample to be examined, but only a limited area, which in the case of a light-disk microscope is limited in one direction along an optical axis of an observation optical unit.
  • the illuminated area of a sample examined by means of a light-disk microscope thus has a substantially two-dimensional structure.
  • the illuminated areas in the confocal microscopy are essentially zero-dimensional and their size is of the order of the diffraction-limited minimum focus diameter of the illumination wavelength. In the model these are assumed to be punctiform.
  • An illuminated region which is limited at least along the optical axis of the observation optics has the advantage that the image information of the sample made available via the observation optics essentially consists of the image information of the illuminated, restricted volume region of the sample. In other words, only those pixels or that plane contribute to the image structure, which are illuminated by the illumination optics.
  • the aforementioned microscope and the above-mentioned optical retrofit set solve this task in each case by the microscope or the retrofit kit has a color cross-correction device with at least one optical color cross-correction element, wherein at the sample-side output of the color cross correction element, the beam paths of the at least two different Wavelengths have an offset parallel to one another and / or a tilt relative to the illumination side, which results on the sample side of the illumination optical system in an offset of the foci of at least two wavelengths transversely to an optical axis of the illumination optics.
  • An offset can be transformed into a tilt by a lens, as well as tilt by a lens can be transformed into an offset.
  • the microscope according to the invention and the optical retrofit kit according to the invention have the advantage that the offset of the foci on the sample side of the illumination optical system produced by the color cross-correction device improves both the quality of illumination and the imaging quality of the microscope. This advantage is also achieved when the illumination takes place through edge regions of the illumination optics.
  • the dispersion of dielectric materials i. their wavelength-dependent refractive index, causes coaxial light beams of different wavelengths at the entrance (and / or exit) and an angle different from 90 degrees to the surface are refracted to different degrees in the dielectric material, which in refractive optical elements, such as Lenses, leading to chromatic aberration.
  • a chromatic aberration includes a lateral chromatic aberration, the so-called lateral chromatic aberration, and an axial chromatic aberration, the so-called longitudinal chromatic aberration. Both express themselves in particular in the focal point or focus of the lens.
  • the axial chromatic aberration causes the foci of different wavelengths to be offset from each other along a direction parallel to the optical axis.
  • the lateral chromatic aberration causes the foci of different wavelengths to be offset from one another in a direction perpendicular to the optical axis.
  • the foci of different wavelengths are thus, with coaxial entry into the lens, at a different distance from the optical axis of the lens. This form of chromatic aberration becomes particularly apparent when an optical element is obliquely penetrated or in its peripheral areas by multispectral light beams.
  • the lateral chromatic aberration can significantly reduce the imaging quality in a light-optical microscope, since, when illuminated with two different wavelengths, two disc-shaped regions offset from one another along the optical axis of the observation optics are illuminated.
  • the observation optics are focused only on a single plane, so that the second disc-shaped illuminated plane is blurred.
  • the microscope according to the invention or the optical retrofit kit according to the invention in each case counteract a reduction of the imaging quality caused by chromatic aberration.
  • the offset of the foci of the at least two wavelengths transversely to the optical axis of the illumination optical system caused by the illumination optical system is directed counter to the optical axis of the illumination optical system caused by the illumination optical system on the sample side of the illumination optical system .
  • the color cross-correction device can be rotatable about the optical axis or about the propagation direction.
  • the illumination optics may comprise a plurality of transmitting optical elements and / or a beam path deflecting elements.
  • the illumination side of the illumination optics can have an optical input, to which an optical waveguide, via which the light of a light source is transmitted, can be connected.
  • a light source can be provided on the illumination side of the illumination optics.
  • the lighting side of an element, an optic or a device is to be understood as that side which points in the direction of the light source. Accordingly, the sample side of an element, optics or device is to be understood as the side pointing in the direction of the sample to be illuminated. When viewing directions in a folded optical setup, it is considered unfolded such that one side of an element always faces either the sample or the illumination side.
  • the color cross-correction device can be arranged on the sample side or on the illumination side of the illumination optics, or else in the illumination optics, i. For example, between two optical elements of the illumination optics, be positioned.
  • the color cross-correction device can be designed as a separate unit which can be built as a unit with an illumination-side input and a sample-side output, the color cross-correction device offset the beam paths of the at least two different wavelengths on the sample-side output of the color cross correction device from one another and / or tilted relative to one another ,
  • the offset and / or tilt is a relative offset and / or relative tilt of the optical paths of the at least two different wavelengths, i.
  • no absolute offset and / or tilt is generated between the optical paths of the at least two wavelengths.
  • the relative salting and / or the relative tilting can be applied to a possibly already existing offset and / or tilting of the beam paths of the at least two wavelengths.
  • the color cross-correction device may further comprise lenses which make a tilting of an offset of two beam paths to one another or an offset from a tilting of two beam paths relative to each other. Consequently, the offset of the beam paths of the at least two different wavelengths resulting at the sample-side output of the color cross-correction device can be generated by a tilting of the beam paths relative to one another and a subsequent lens.
  • An offset or tilting of two beam paths relative to one another is to be understood in each case as relative variation of the beam paths relative to one another.
  • the microscope may further comprise tiltable scanning elements, in particular scanning mirrors, which may serve to deflect the beam paths of the at least two wavelengths together, wherein in such a deflection, the relative offset or the relative tilting of the beam paths of the at least two wavelengths remains unchanged.
  • tiltable scanning elements in particular scanning mirrors, which may serve to deflect the beam paths of the at least two wavelengths together, wherein in such a deflection, the relative offset or the relative tilting of the beam paths of the at least two wavelengths remains unchanged.
  • the scanning mirror can be used to generate a so-called virtual light sheet.
  • One-dimensional focus areas formed in the sample to be observed can be moved through the scanning mirror, so that the virtual light sheet builds up sequentially in a plane perpendicular to the observation direction of the sample.
  • a system of scanning mirrors may be provided which allows the virtual light sheet to be displaced along the viewing direction and thus to generate a computer-aided three-dimensional representation of the sample.
  • the illumination optics can have a transverse color defect, so that the foci of the at least two wavelengths are formed at a different distance from the optical axis of the illumination optics on the sample side of the illumination optics.
  • the color cross-correction device counteracts this relative offset of the foci of the at least two wavelengths.
  • the color cross-correction device counteracts the offset of the beam paths through the illumination optics such that said offset is compensated by the illumination optics.
  • the compensation means that the foci of the at least two wavelengths are offset relative to each other by means of the color cross correction device in such a way that they are located on the sample side of the illumination optical system at a substantially equal distance from the optical axis of the illumination optical system.
  • the color cross-correction device can in particular be arranged in the region of an expanded beam waist, that is to say in a section of the beam path or the beam paths with little divergence or convergence.
  • the color cross-correction device comprises a highly dispersive thin-film filter.
  • a filter may, for example, comprise a periodic structure of dielectric materials of different refractive index, which may for example be in the form of a so-called chirped structure (see chirped mirrors) or a resonator structure.
  • the color cross-correction device can comprise at least one optical element, on whose sample side the beam paths of the at least two wavelengths can be tilted relative to the illumination side.
  • Such optical elements are, for example, prisms and / or gratings, the angular dispersion produced by these optical elements, i. the dependent of the respective wavelength angle of at least two wavelengths to each other, is transformed by an imaging optics with an odd number of optical elements in an offset of the beam paths of the at least two wavelengths.
  • a deflection element such as, for example, a deflection prism and / or a deflection mirror can also be provided, by means of which the wavelengths acted upon by the angular dispersion can be redirected on average back to the original propagation direction.
  • Such a structure of an optical deflection device by means of deflecting mirrors or by means of at least one deflecting mirror and a deflecting prism can also be used for the color cross-correction device with a highly dispersive thin-film filter.
  • the filter In the case of the filter, the beam path of both laterally offset wavelengths can thus be redirected on average to the original propagation direction.
  • At least two optical color cross correction elements are provided, of which at least one optical color cross correction element is designed to be relatively tiltable relative to the other color cross correction element.
  • a tiltable arrangement of at least one of the optical color cross-correction elements has the advantage that the offset of the beam paths of the at least two wavelengths can be set.
  • the at least two optical color cross-correction elements can preferably be operated in transmission.
  • two highly dispersive thin-film filters can be provided.
  • the color cross-correction elements are preferably mounted rotatably about an axis, wherein the axis may preferably be oriented parallel to the light sheet and / or perpendicular to that plane which is defined by the optical axis of the illumination optics and the direction of the transverse chromatic aberration.
  • At least one of the at least two optical color cross-correction elements is designed as a transmitting, substantially plane-parallel plate.
  • both color cross-correction elements can be designed as a plane-parallel transmitting plate.
  • An essentially plane-parallel plate has the advantage that, given non-normal incidence of light of different wavelengths, the different spectral components are offset from each other, with all wavelength components experiencing a common offset through the plane-parallel plate.
  • substantially plane-parallel 'is to be understood that the transmitting plate may have a slight wedge (so-called wedged optical elements). This has the advantage that Fabry Perot effects can be avoided.
  • An optical element with a slight wedge is to be regarded as plane-parallel in the context of this description.
  • two of the at least two optical color cross correction elements are configured as transmitting, substantially plane-parallel plates, the at least two plane-parallel transmitting plates having a different refractive index and / or thickness. If the two plates are designed with different refractive index and / or thickness, it is possible to compensate the common beam offset of the beam paths of the at least two wavelengths, but without compensating for the relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths as well.
  • the two plane-parallel transmitting plates of different refractive index and / or thickness can each be oriented at different angles to the beam paths, in particular one plate in the mathematically positive direction sense (counterclockwise), the other plate in the mathematically negative direction sense (clockwise) tilted be. This makes it possible to compensate for the absolute displacement of the beam paths of the at least two wavelengths to the original propagation direction.
  • the different angles to the original propagation direction produce a different angular separation of the at least two wavelengths and also a different offset, which is compensated by making the plane-parallel plate with the smaller angular separation and the smaller offset thicker.
  • the at least two optical color cross-correction elements have a different material dispersion. Such a configuration is particularly advantageous when a relatively large offset of two different wavelengths is desired to each other.
  • the material dispersion is a material parameter by means of which the splitting of two different wavelengths or the salt of two different wavelengths can be set to one another.
  • Low Abbe number (e.g., flint glass) highly dispersive materials can be used for the relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths, whereas low Abbe number low dispersion materials such as crown glass can be used to increase the common beam displacement of both wavelengths compensate, but without completely compensate for the relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths to each other.
  • low Abbe number low dispersion materials such as crown glass
  • crown glasses and flint glasses have a similar refractive index
  • two plane-parallel plates of these two materials will generate a comparable absolute offset of both different wavelengths
  • the higher dispersive flint glass will generate a larger relative offset of the optical paths of the at least two wavelengths to one another.
  • the relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths to one another can be further increased if the plane-parallel plate with less dispersion is arranged at a smaller angle to the original propagation direction in the beam path and has a greater thickness than the plane-parallel plate with greater material dispersion.
  • the at least two optical color cross-correction elements are coupled to each other in a motion-transmitting manner. This has the advantage that the relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths to each other is variably adjustable and at the same time can be compensated by the motion-transmitting coupling of the at least two optical color cross-correction elements of the changed absolute offset of the beam paths to the original propagation direction.
  • the relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths after transmission through the first optical color cross-correction element is dependent on the angle of the illumination-side color cross-correction element to the original propagation direction of the light. A larger angle leads to a larger relative offset of the beam paths of the at least two wavelengths, but also to an increased absolute offset of the beam paths. len réelle to the original direction of propagation.
  • the motion-transmitting coupling of the sample-side color optical cross-correction element can be designed such that it substantially compensates for the varied absolute offset of the beam paths relative to the original propagation direction.
  • the at least two optical color cross-correction elements can be mechanically, z. B. be coupled by a transmission, motion-transmitting.
  • the motion transmitting coupling may also be electrically, e.g. B. by means of two electric motors, in particular stepper motors.
  • Such a motion-transmitting coupling can also be used in the abovementioned embodiments of the microscope with a highly dispersive thin-film filter or an optical element, such as prism or grating, which angles the beam paths of the at least two wavelengths.
  • the elements which tilt the mutually at least two wavelengths can be displaceable individually and / or against each other along the propagation direction.
  • prisms can be displaceable along or against an insertion direction, the insertion direction pointing from a prism base to an apex.
  • the color cross-correction device can be designed as a device which can be introduced into the beam paths of the at least two wavelengths, wherein at the sample-side output of the color cross correction only a relative offset of the beam paths of at least two wavelengths to each other, but no absolute offset Beam paths to the original propagation direction occurs.
  • a color longitudinal correcting device wherein the beam paths of the at least two different wavelengths on the illumination side of the color longitudinal correcting device have a divergence or convergence which differs from the divergence or convergence of the beam paths of the at least two wavelengths differ on the sample side of the color longitudinal correction device.
  • the displacement of the foci of the at least two wavelengths along or against the optical axis of the illumination optical system can be used, for example, for both foci in To overlap with each other, so that a defined by the overlapping foci area can be illuminated simultaneously with both wavelengths.
  • the color longitudinal correction device can in particular be provided alone, that is to say without the color cross-correction device in a microscope.
  • the illumination optics of the microscope can have a longitudinal color aberration, wherein the color longitudinal correction device allows the displacements of the focal points of different wavelengths relative to one another along the optical axis to be additionally and specifically displaced by the longitudinal color aberration on the specimen side of the illumination optics and these z. B. overlap. A color cross defect can still occur on the sample side of the illumination optics.
  • the color longitudinal correction device has at least one refractive and at least one diffractive optical element.
  • Refractive optical elements may, for example, be designed as spherical lenses.
  • Diffractive optical elements also called DOEs
  • the microstructure has different optical path lengths for transmitted light depending on the position on the DOE, so that partial beams passing through the DOE are phase modulated and constructive or destructive interference of the light by the DOE is caused. While a normal dispersion spherical lens has a shorter focal length for short wavelength light than for long wavelength light, the ratio of focal lengths for a diffractive lens is opposite.
  • the color longitudinal correction device on the illumination and the sample side can have a substantially identical absolute convergence or divergence of the beam paths of the at least two wavelengths, whereas the beam paths of the at least two different wavelengths on the sample side of the color longitudinal correction device have a relative change which may have divergence or convergence with each other.
  • the at least one refractive optical element and / or the at least one diffractive optical element has a variably adjustable focal length. This has the advantage that both the absolute position of the Foki the beam paths of the at least two wavelengths, as well as the relative position of the Foki the beam paths of the at least two wavelengths is adjustable to each other.
  • both the refractive optical element and the diffractive optical element can be variably adjustable.
  • the correction of a longitudinal chromatic aberration may be possible for different combinations of two wavelengths without the effective focal length, i. H. For example, the position of the light sheet is changed.
  • a plurality of color longitudinal correction devices can also be provided in cascade in order to be able to compensate for the longitudinal chromatic aberration for more than two wavelengths.
  • the cascading of color longitudinal correction devices can be done independently of or in addition to a cascading of the color cross correction devices.
  • the refractive optical element may be a liquid-filled lens which is variable in its focal length via pressure or a piezoelectric element.
  • the diffractive, preferably tunable, optical element may comprise a diffractive tunable lens, such.
  • a diffractive Moire lens a diffractive liquid crystal lens or an Alvarez Lohmann lens.
  • the at least one diffractive optical element is designed as a spatial light modulator.
  • a spatial light modulator also called SLM (spatial light modulator)
  • SLM spatial light modulator
  • the spatial light modulator can be designed to be transmissive or reflective. Since a reflective spatial light modulator requires folded beam paths and a larger distance between the light modulator and the refractive optics, a transmissive spatial light modulator is preferably provided.
  • a spatial light modulator can generally be applied to computer-generated diffraction patterns, which, for example, can be easily subjected to optimization in a computer-aided manner in order to set the desired relative displacement of the focuses on the sample side of the illumination optics.
  • the comparative diffractive lens may be set to a fixed value, wherein deviations of the variable refractive lens to the desired preset value may be compensated by the variable diffractive lens provided by the spatial light modulator.
  • the beam paths of the at least two wavelengths extend in non-paraxial peripheral regions of the illumination optics, at least one deflecting mirror being provided on the specimen side of the illumination optics and the beam paths being deflected by substantially 90 °.
  • the microscope may have an observation optics, for example in the form of an eyepiece, which is preferably arranged coaxially to the illumination optics.
  • the beam paths of the illumination and observation optics can be oriented parallel to one another.
  • the illumination optics can be arranged substantially collinear to a detection optics, so that the illumination optics can also be used paraxial or confocal illumination.
  • the same illumination optics can thus be used by using the non-paraxial edge regions of the illumination optics and the deflection mirrors for the lateral illumination of the sample as well as for the coaxial illumination of the sample (transmitted light microscopy / confocal microscopy).
  • two deflecting mirrors can be provided, which are arranged diametrically opposite the inspection area. This can enable illumination of at least one of the two sides or illumination of the sample on both sides.
  • a color cross-correction can be effected by the optical color cross-correction element, wherein optionally an additional color longitudinal correction by the optical color longitudinal correction element is possible.
  • the color cross error and the color length error are independent of each other and overlap linearly.
  • the color longitudinal correcting device can be located both in the beam path of the paraxial and in the beam path of the non-paraxial regions of the illumination optics, so that a color longitudinal correction can take place both in the case of lateral sample illumination and in the case of coaxial sample illumination.
  • the optical color cross-correction device can be configured in such a way that it is located only in the beam path of the at least two wavelengths extending in the non-paraxial edge regions of the illumination optics, so that color lateral correction by the optical color cross-correction device can take place only with lateral sample illumination.
  • the aforementioned scanning mirrors can deflect both the paraxial beam paths and the non-paraxial beam paths.
  • the above-mentioned optical retrofit kit for a microscope can be designed as a separate unit which can be retrofitted in microscopes to illuminate a sample in the microscope with at least two different wavelengths, the focal position of the beam paths of at least two different wavelengths to move each other transversely to the optical axis of the illumination optics.
  • the optical retrofit kit can be configured in a further embodiment thereof such that the offset of the foci of the at least two wavelengths transversely to the optical axis of the illumination optics caused by the color cross correction element on the sample side of the illumination optics causes the offset of the foci essentially caused by the illumination optics is directed opposite to each other transversely to the optical axis of the illumination optical system.
  • the optical retrofit kit can also be configured such that when it is combined with an existing microscope, a microscope is obtained which is identical to an embodiment of a microscope according to the invention described above.
  • the optical retrofit kit may thus comprise a highly dispersive thin-film filter, comprising at least one optical element, on whose sample side the beam paths of the at least at least two wavelengths with respect to the illumination side are tilted relative to one another, at least two optical color cross-correction elements are provided, of which at least one optical color cross-correction element is designed to be relatively tiltable relative to the other color cross-correction element and at least one or two of the at least two optical color cross-correction elements are transmissive, provide substantially plane-parallel plate, which may have a different thickness or different material dispersion and / or may be coupled to each other to transmit movement.
  • a color longitudinal correcting device is provided, the beam paths of the at least two different wavelengths on the illumination side of the color longitudinal correcting device having a divergence or convergence which is dependent on the divergence or convergence of the beam paths of the at least two wavelengths relative to one another the sample side of the color-longitudinal correction device differ. If an illumination optical unit of an existing microscope has a longitudinal chromatic aberration, then this longitudinal chromatic aberration can be compensated with this embodiment of the optical retrofit kit.
  • the optical retrofit kit can only comprise a color longitudinal correction device, so that only a longitudinal chromatic aberration of an existing illumination optical unit can be corrected.
  • the color-length correction device of the optical retrofit kit as well as a previously mentioned embodiment of the microscope according to the invention, have at least one refractive and at least one diffractive optical element, wherein the at least one refractive optical element and / or the at least one diffractive optical element can have a variably adjustable focal length and wherein the at least one diffractive optical element can be designed as a spatial light modulator.
  • the at least one refractive optical element and / or the at least one diffractive optical element can have a variably adjustable focal length and wherein the at least one diffractive optical element can be designed as a spatial light modulator.
  • Figure 1 is a schematic representation of the color longitudinal error and color cross error in a confocal microscope.
  • Figure 2 is a schematic representation of the color longitudinal error and the color cross error in a light disc microscope.
  • 3A shows a first embodiment of the color cross-correction element.
  • 3B shows a second embodiment of the color cross correction element
  • 3C shows a third embodiment of the color cross correction element
  • Fig. 5A is a schematic representation of the color longitudinal error in a diffractive optical element
  • 5B is a schematic representation of the color longitudinal error in a refractive optical element comprising a tunable convex lens
  • 5C shows a color longitudinal correction device in a first correction state
  • FIG. 5D shows the color longitudinal correction device of FIG. 5C in a second correction state
  • Fig. 6A shows a part of the color cross-correction device of a third embodiment
  • Fig. 6B is a part of the color cross-correction device of the third embodiment of Fig. 6A with lower angular dispersion.
  • the microscope 1 shows a schematic representation of a microscope 1, in particular a confocal microscope 3, which has an illumination optical unit 5, lenses 7 and further optical elements 9.
  • the further optical elements 9 are symbolized by a rectangle.
  • the microscope 1 further comprises a light source 11, which in other embodiments of the microscope 1 may also be part of the illumination optics 5, a sample holder 15, on which a sample 15a can be arranged, and an observation optics 17, via which the light illuminated by the illumination optics 5 Sample 15a can be observed.
  • the confocal microscope 3 shown in FIG. 1 has an eyepiece 19 for observation, wherein in other embodiments of the confocal microscope 3 preferably a recording, processing and display of the sample 15a via digital image sensors and monitors can take place.
  • Fig. 1 does not show the sequential image structure of confocal microscopy or a correspondingly necessary raster and scanning device.
  • a magnification 13 shows a refractive optical element 21 of the illumination optical system 5, which is designed as a lens 7.
  • two beam paths 23 extend, the different beam paths 23 representing a short-wave beam path 23a and a boring beam path 23b.
  • the beam paths 23 are shown schematically by edge beams of beams 25 and the short-wave beam 23a, which is shown by a solid line corresponds to the beam 23 of short-wave radiation of a first wavelength 27a, which is shorter than a wavelength 27 of long-wave radiation of a second Wavelength 27b.
  • the absolute wavelength difference of both wavelengths 27a, 27b is less relevant for the following description, only the relation of both wavelengths 27a, 27b is necessary for the following considerations.
  • shortwave and longwave light as well as blue and red light are used synonymously for the first wavelength 27a and the second wavelength 27b.
  • the blue 27 a and the red light 27 b essentially have an identical beam path 23.
  • the lens 7 is configured in the embodiment of the microscope 1 shown in FIG. 1 as a biconvex lens 7a and focuses the light incident on the lens 7 in a focus region 31 which is a focal point only in the approximate case of the geometric optics of radiation beams 25.
  • the blue light 27a is focused in a first focus area 31a and the red light 27b in a second focus area 31b.
  • blue and red focus area are used synonymously with the first 31a and second focus area 31b.
  • the lens 7, which is part of the illumination optics 5, has two mutually independent, linearly overlapping chromatic aberrations 37.
  • a longitudinal color aberration 37a also called lateral chromatic aberration, manifests itself in a lateral offset 39 between the blue focal region 31a and the red focal region 31b along an optical axis 41 or along a direction parallel to the optical axis 41.
  • a transverse chromatic aberration 37b also called a transverse chromatic aberration, manifests itself in a transverse offset 43 of the blue focus area 31a and the red focus area 31b relative to one another in a direction perpendicular to the optical axis 41.
  • an optical axis of the observation optics 41a also extends in the embodiment shown.
  • the observation optics 17 is set to an observation plane 47, so that only objects which are located in the observation plane 47 are sharply imaged by the observation optics 17.
  • FIG. 2 also shows a microscope 1, wherein the microscope 1 shown is a lens microscope 2.
  • the optical disk microscope 2 also comprises an illumination optical system 5 and an observation optical system 17.
  • the principal differences in the illumination compared to the confocal microscope 3 shown in FIG. 1 are shown in the magnification 13.
  • the magnification 13 shows a lens 7 and a deflecting element 51 in the form of a deflecting mirror 53, which are part of the illumination optics 5.
  • the illumination optics 5 of the light-sheet microscope 2 also comprises a plurality of lenses 7, further optical elements 9 and a light source 11.
  • the light-sheet microscope 2 comprises a shell 55, which is filled with immersion liquid 57, so that an observation optics 17, in particular a microscope objective 17a with a high numerical aperture can be used.
  • FIG. 2 shows an observation lens 7b which is located in the immersion liquid 57.
  • the observation lens 7b forms an observation plane 47, wherein in the representation shown in FIG. 2 the observation plane 47 is correctly illuminated only by the red light 27b, while the further plane 47a illuminated by the blue light 27a is located behind the observation plane 47 in the viewing direction 59 is and thus can no longer be sharply imaged by the observation lens 7b.
  • the longitudinal chromatic aberration 37a leads in the light-sheet microscope 2 to a distribution of the intensity of the wavelengths 27, which varies along an illumination direction 61.
  • FIG. 2 only the stationary illumination in a light-sheet microscope 2 is shown.
  • the structure of the light sheet, i. the two-dimensional illuminated area is effected by a tilting of the beam paths 23 about a scanning axis 63 by means of a deflecting element not shown in FIG. 2 (see FIG. 4).
  • FIG. 3A shows a first embodiment of a color cross-correction device 65, which comprises two optical color cross-correction elements 67 in the form of transmitting, substantially plane-parallel plates 68.
  • a first color cross-correction element 67a has a thickness 69 that is greater than a thickness 71 of a second color cross-correction element 67b.
  • first color cross correction element 67a is tilted clockwise 73 against an original propagation direction 75 at a first tilt angle 77a.
  • the second color cross-correction element 67b is tilted in the direction of rotation counterclockwise 79 against the original propagation direction 75 at a second tilt angle 77b.
  • the ray paths 23 of the blue 27a and the red light 27b on the illumination side 29 of the color cross-correction device 65 are identical and define the original propagation direction 75.
  • the first color cross-correction element 67a generates, due to its material dispersion 33a, an angular dispersion 81 which generates a relative offset 85 between the blue 27a and the red light 27b on a sample side 81 of the first color cross-correction element 67a.
  • an absolute offset 85a of both wavelengths 27a, 27b with respect to the original propagation direction 75 occurs.
  • a reference point for determining the absolute offset 85a is defined centrally in FIG. 3A between the blue 27a and the red light 27b.
  • the relative offset 85 is larger and not drawn to scale with respect to the absolute offset 85a.
  • the absolute offset 85a is greater than the relative offset 85.
  • the second color cross-correction element 67b Since the second color cross-correction element 67b is tilted counter to the original propagation direction 75 in the counterclockwise direction 79, this causes the absolute offset 85a to be reduced or completely compensated due to the material dispersion 33b (which may differ from the material dispersion 33a).
  • the absolute offset 85a On the illumination side 29 of the second color cross-correction element 67b, i. at a sample-side output 84 of the second color cross-correction element 67b to the sample side 83 of the second color cross-correction element 67b, only a relative offset 85b occurs.
  • the second color lateral correction element 67b completely compensates for the absolute offset 85a of the first color cross correction element 67a.
  • the two color cross correction elements 67 each have a motion transmission element 133, which is connected to a synchronization unit 135.
  • the synchronization unit 135 controls a variable rotation of the first color cross correction element 67a and synchronizes an opposite rotation of the second color cross correction element 67b.
  • the motion transmitting members 133 are configured as stepping motors 133a.
  • the synchronization can be done for example by means of a transmission.
  • 3B shows a second embodiment of the color cross-correction device 65.
  • This comprises a deflecting element 51 designed as a deflecting prism 87, a highly dispersive thin-film filter 89 and a deflecting element 51 configured as a deflecting mirror 53.
  • the blue 27a and the red light 27b On the illumination side 29 of the color cross-correction device 65, the blue 27a and the red light 27b have an identical beam path 23.
  • the beam paths 23 of the blue 27a and red light 27b are only schematically offset from one another.
  • the deflecting prism 87 directs the coaxial beam paths 23 onto the highly dispersive thin-film filter 89, which generates an angular dispersion 81 which, when leaving the highly dispersive thin-film filter 89, results in a relative offset 85 between the blue 27a and the red light 27b.
  • the highly dispersive thin film filter 89 has a dispersive structure 91 (eg, a periodic structure, a chirped structure, or a resonator structure), the blue light 27a in the highly dispersive thin film filter 89 is deflected less than the red light 27b.
  • a dispersive structure 91 eg, a periodic structure, a chirped structure, or a resonator structure
  • the beam paths 23a and 23b are deflected in the direction of the deflection prism 87, which outputs the two beam paths 23a, 23b substantially centered to the original propagation direction 75 on the sample side 83 of the color cross-correction device 65.
  • the absolute offset 85a is thus approximately zero and the two beam paths 23a and 23b have only the relative offset 85b to one another.
  • a third embodiment of the color cross correction device 65 is shown.
  • the two color cross-correction elements 67 are designed as prisms 131.
  • Both prisms 131 are rotatable about a respective axis of rotation 151a, 151b and / or displaceable along or against an insertion direction 157.
  • the insertion direction 157 extends from a prism base 159 to an apex 161, independently of the rotation of the prism 131.
  • Both prisms 131 can have different insertion directions 157.
  • the first 67a and second color cross-correction element 67b in this case have a different material dispersion 33a, 33b from each other.
  • the material dispersion 33a is larger than the material dispersion 33b.
  • the high material dispersion prism 131a deflects the first 27a and second wavelengths 27b by a first central deflection angle 153a.
  • a relative splitting 155 is formed due to the first material dispersion 33a.
  • Prism 131 of lesser material dispersion 33b deflects both first 27a and second wavelengths 27b by a second central deflection angle 153b, which deflection preferably compensates for the deflection about the first center deflection angle 153a, so that a resulting second propagation direction 75b is only laterally parallel to a first propagation direction 75a is shifted, but is oriented substantially parallel to this.
  • Optical axes 41b, 41c are also offset in parallel.
  • FIG. 4 shows an illumination optical unit 5 with installed color cross-correction device 65.
  • the two beam paths 23a, 23b are collinear and centered on the original propagation direction 75 and are focused by a focusing element 7e (shown here in the form of a lens 7d).
  • the color cross-correction device 65 is arranged between the focusing element 7e and intermediate focus areas 31c. As described above, the color cross correction device 65 introduces a relative offset 85 of the blue 27a to the red light 27b.
  • An absolute offset 85a is substantially compensated by the two oppositely tilted color cross correction elements 67. After the color transverse correction elements 67, the two beam paths 23a, 23b pass through a lens 7d, which leads to a slight tilting of the beam paths relative to each other.
  • FIG. 4 further shows a deflecting mirror 53 configured as a scanning mirror 93, which can be tilted about a scanning axis 63 emerging from the plane of the drawing and about a scanning axis 63a lying in the scanning mirror 93.
  • a deflecting mirror 53 configured as a scanning mirror 93, which can be tilted about a scanning axis 63 emerging from the plane of the drawing and about a scanning axis 63a lying in the scanning mirror 93.
  • the beam paths 23a, 23b are transmitted through said lenses 7 and focused in a wavelength-dependent focus area 31. Since the illumination optics 5 has only one color cross-correction device 65, the blue light 27a is focused at the same distance to the optical axis 41 as the red light 27b. An existing longitudinal color error 37a is independent of the correction of the transverse color error (not shown) and therefore continues to occur.
  • FIG. 4 shows that the lenses 7 of the illumination optical system 5 transmit the beam paths 23a, 23b in non-paraxial edge regions 8 through the corresponding lenses 7.
  • FIG. 5A shows a diffractive optical element 95, which is designed as a diffractive optical lens 97, in particular as a tunable diffractive lens 99, which can be generated, for example, by means of a spatial light modulator 101.
  • the beam paths 23a, 23b which run coaxially with one another, strike the tunable diffractive lens 99, the beam paths 23a, 23b are focused in accordance with the setting of the tunable diffractive lens 99.
  • FIG. 5B shows a refractive optical element 109, which is designed as a tunable lens system 111.
  • the tunable lens system 111 includes a concave lens 7c and a tunable convex lens 113.
  • the tunable lens system 111 in the setting shown in Fig. 5B, has the effect of a concave lens 7c, i. the coaxial beam paths 23a and 23b are not focused to give a blue virtual focus area 115 (the virtual focus of the blue light 27a) and a red virtual focus area 117 (the virtual focus of the red light 27b).
  • the blue light 27a has the negative focal length 105
  • the red light 27b has the negative focal length 103
  • the amount of the focal length of the blue light 105 is smaller than the amount of the focal length of the red light 103.
  • FIG. 5C shows a color longitudinal correction device 123 comprising the tunable diffractive lens 99 of FIG. 5A and the tunable lens system 111 of FIG. 5B.
  • the color longitudinal correction device 123 is shown in a first setting 125.
  • the divergence 121 generated by the tunable lens system 111 is substantially compensated by the convergence generated by the tunable diffractive lens 99.
  • the color-length correction device 123 has a very long focal length (which can be in the range of several meters).
  • the color longitudinal correction device 123 essentially maintains the collimation of the transmitted beam paths 23a, 23b.
  • the pairing of a positive focal length of the tunable diffractive lens 99 and an equal but negative focal length of the tunable lens system 111 thus does not alter the absolute convergence 119 or the absolute divergence 121 of the beam paths 23a, 23b.
  • a relative convergence / divergence difference 127 between the blue 23a and the red optical path 23b can be set.
  • the color longitudinal correction device 123 is shown in a second setting 129. Even in the second setting 129, the absolute convergence 119 or the absolute divergence 121 of the beam paths 23a, 23b entering the color longitudinal correcting device 123 is not changed and remains substantially zero.
  • the color-length corrector 123 has a relative divergence difference 127 that differs from the relative convergence difference 127 of the first setting of FIG. 5C.
  • the blue light 27a is substantially collimated, while the red light 27b has a convergence 121.
  • the red light 27b is substantially collimated, while the blue light 27a has a convergence 121.
  • FIGS. 6A and 6B show a second and third embodiment of the color cross correction device 65, wherein in both embodiments, a prism 131 for generating the angular dispersion 81 is used.
  • the angular dispersion 81 is generated on the basis of the material dispersion 33 of the prism 131, as described above using the plane-parallel plate as an example.
  • a different size angular dispersion 81 can be generated.
  • the beam paths 23a, 23b are deflected in such a way that both beam paths 23a, 23b have substantially no further tilting relative to the original propagation direction 75, but that a relative tilting of the blue beam path 23a to the red beam path 23b continues to be present.
  • An optical retrofit kit 150 may include one of the color cross-corrector 65 shown in FIGS. 3A, 3B, 6A, and 6B.
  • color longitudinal correction device 123 shown in FIGS. 5C and 5D may be part of the optical retrofit kit 150.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mikroskop (1), insbesondere Lichtscheiben- (2) oder Konfokalmikroskop (3), und einen optischen Nachrüstsatz (150) für ein Mikroskop (1), insbesondere für Lichtscheiben- (2) oder Konfokalmikroskope (3), mit einer Beleuchtungsoptik (5) zur Transmission von Licht mindestens zweier Wellenlängen (27a, 27b) von mindestens einer Lichtquelle (11) entlang jeweils eines wellenlängenabhängigen Strahlengangs (23a, 23b) von einer Beleuchtungsseite (29) der Beleuchtungsoptik (5) zu einer Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5). Mikroskope (1) aus dem Stand der Technik weisen einen Längsfarbfehler (37a) und/oder einen Querfarbfehler (37b) auf, welche bzw. welcher die Abbildungsqualität des Mikroskops (1) verringert. Das erfindungsgemäße Mikroskop (1) bzw. der optische Nachrüstsatz (150) löst dieses Problem dadurch, dass das Mikroskop (1) bzw. der optische Nachrüstsatz (150) eine Farb-Querkorrektureinrichtung (65) mit wenigstens einem optischen Farb-Querkorrekturelement (67) aufweist, wobei am probenseitigen Ausgang (84) des Farb-Querkorrekturelements (65) die Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen (27a, 27b) einen Versatz (43) parallel zueinander und/oder eine Verkippung zueinander gegenüber der Beleuchtungsseite (29) aufweisen, der auf der Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5) in einem Versatz (43) der Foki (31a, 31b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) quer zu einer optischen Achse (41) der Beleuchtungsoptik (5) resultiert.

Description

Mikroskop, insbesondere Lichtscheiben- oder Konfokalmikroskop
und Nachrustsatz für ein Mikroskop
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop, insbesondere ein Lichtscheiben- oder Konfokalmikroskop, mit einer Beleuchtungsoptik zur Transmission von Licht mindestens zweier Wellenlängen von mindestens einer Lichtquelle entlang jeweils eines wellenlängenabhängigen Strahlengangs von einer Beleuchtungsseite der Beleuchtungsoptik zu einer Probenseite der Beleuchtungsoptik. Die Erfindung betrifft ferner einen optischen Nachrustsatz für ein Mikroskop, insbesondere für ein Lichtscheiben- oder Konfokalmikroskop, das eine Beleuchtungsoptik zur Transmission von Licht mindestens zweier Wellenlängen von mindestens einer Lichtquelle entlang jeweils eines wellenlängenabhängigen Strahlengangs von einer Beleuchtungsseite der Beleuchtungsoptik zu einer Probenseite der Beleuchtungsoptik aufweist.
Mikroskope, wie zum Beispiel ein Lichtscheibenmikroskop oder ein Konfokalmikroskop sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Mikroskope haben gemein, dass eine Beleuchtungsoptik nicht die komplette zu untersuchende Probe beleuchtet, sondern lediglich einen begrenzten Bereich, welcher im Falle eines Lichtscheibenmikroskopes in einer Richtung entlang einer optischen Achse einer Beobachtungsoptik begrenzt ist. Der beleuchtete Bereich einer mittels eines Lichtscheibenmikroskops untersuchten Probe hat somit eine im Wesentlichen zweidimensionale Struktur. Die beleuchteten Bereiche in der Konfokalmikroskopie sind im Wesentlichen null- dimensional und deren Größe liegt in der Größenordnung des beugungsbegrenzten minimalen Fokusdurchmessers der Beleuchtungswellenlänge. Im Modell werden diese als punktförmig angenommen.
Eine zumindest entlang der optischen Achse der Beobachtungsoptik beschränkter beleuchteter Bereich hat den Vorteil, dass sich die über die Beobachtungsoptik zur Verfügung gestellte Bildinformation der Probe im Wesentlichen aus der Bildinformation des beleuchteten, beschränkten Volumenbereiches der Probe zusammensetzt. Mit anderen Worten tragen lediglich jene Bildpunkte bzw. jene Ebene zum Bildaufbau bei, die von der Beleuchtungsoptik beleuchtet werden.
Bei bestimmten Arten von Mikroskopen aus dem Stand der Technik erfolgt die Beleuchtung durch Randbereiche der Beleuchtungsoptik. Dies hat zur Folge, dass die Qualität der Beleuchtung und folglich auch die Qualität der Abbildung der Probe zu wünschen übrig lassen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Mikroskop bzw. einen optischen Nachrüst- satz zu schaffen, welches bzw. welcher eine verbesserte Qualität der Beleuchtung, als auch eine verbesserte Abbildungsqualität aufweist. Die verbesserten Qualitäten sollen insbesondere auch dann erzielt werden, wenn die Beleuchtung durch Randbereiche der Beleuchtungsoptik erfolgt.
Das eingangs erwähnte Mikroskop und der eingangs erwähnte optische Nachrüstsatz lösen diese Aufgabe jeweils dadurch, dass das Mikroskop bzw. der Nachrüstsatz eine Farb- Querkorrektureinrichtung mit wenigstens einem optischen Farb-Querkorrekturelement aufweist, wobei am probenseitigen Ausgang des Farb-Querkorrekturelements die Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen einen Versatz parallel zueinander und/oder eine Verkippung zueinander gegenüber der Beleuchtungsseite aufweisen, der auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik in einem Versatz der Foki der mindestens zwei Wellenlängen quer zu einer optischen Achse der Beleuchtungsoptik resultiert.
Ein Versatz kann durch eine Linse in eine Verkippung transformiert werden, ebenso kann eine Verkippung durch eine Linse in einen Versatz transformiert werden.
Das erfindungsgemäße Mikroskop und der erfindungsgemäße optische Nachrüstsatz haben den Vorteil, dass der durch die Farb-Querkorrektureinrichtung erzeugte Versatz der Foki auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik sowohl die Beleuchtungsqualität, als auch die Abbildungsqualität des Mikroskops verbessert. Dieser Vorteil wird auch erzielt, wenn die Beleuchtung durch Randbereiche der Beleuchtungsoptik erfolgt.
Es wurde festgestellt, dass der multispektrale Betrieb eines Mikroskops, d.h. simultan bei mehreren Wellenlängen, bei der Verwendung transmittierender Optiken in der Beleuchtungsoptik zu einem chromatischen Abbildungsfehler (auch: Aberration) führen kann, welcher die Qualität der Abbildung der zu untersuchenden Probe stark reduzieren kann.
Die Dispersion dielektrischer Materialien, d.h. deren wellenlängenabhängige Brechzahl, führt dazu, dass koaxial verlaufende Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge beim Eintritt (und/oder Austritt) und einem von 90 Grad verschiedenen Winkel zur Oberfläche in das dielekt- rische Material unterschiedlich stark gebrochen werden, was bei refraktiven optischen Elementen, wie zum Beispiel Linsen, zu chromatischer Aberration führt.
Eine chromatische Aberration umfasst eine laterale chromatische Aberration, den sogenannten Farbquerfehler, und eine axiale chromatische Aberration, den sogenannten Farblängsfehler. Beide äußern sich insbesondere im Brennpunkt bzw. Fokus der Linse. Die axiale chromatische Aberration bewirkt, dass die Brennpunkte verschiedener Wellenlängen entlang einer parallel zur optischen Achse verlaufenden Richtung gegeneinander versetzt sind. Die laterale chromatische Aberration bewirkt, dass die Brennpunkte verschiedener Wellenlängen in einer senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Richtung gegeneinander versetzt sind. Die Foki unterschiedlicher Wellenlängen befinden sich somit, bei koaxialem Eintritt in die Linse, in einem unterschiedlichen Abstand zur optischen Achse der Linse. Diese Form der chromatischen Aberration tritt insbesondere zutage, wenn ein optisches Element schräg bzw. in seinen Randbereichen von multispektralen Lichtstrahlen durchdrungen wird.
Wird zur Probenbeleuchtung in einem Konfokal- oder Lichtscheibenmikroskop Licht mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen genutzt, so führt dies dazu, dass die unterschiedlichen Wellenlängen nicht denselben Bereich in der Probe beleuchten und die Beleuchtungs- und Abbildungsqualität herabsetzen.
Insbesondere der Farbquerfehler kann die Abbildungsqualität in einem Lichtscheibenmikroskop deutlich herabsetzen, da bei Beleuchtung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen zwei entlang der optischen Achse der Beobachtungsoptik gegeneinander versetzte, scheibenförmige Bereiche beleuchtet werden. Die Beobachtungsoptik ist allerdings nur auf eine einzige Ebene scharf gestellt, so dass die zweite scheibenförmige beleuchtete Ebene unscharf abgebildet wird.
Das erfindungsgemäße Mikroskop bzw. der erfindungsgemäße optische Nachrüstsatz wirken jeweils einer durch chromatische Aberration hervorgerufene Verringerung der Abbildungsqualität entgegen.
Im Folgenden werden weitere jeweils für sich vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Technische Merkmale der Ausgestaltungen können beliebig kombiniert bzw. weggelassen werden, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops ist der auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik durch die Farb-Querkorrektureinrichtung hervorgerufene Versatz der Foki der mindestens zwei Wellenlängen quer zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik dem im Wesentlichen durch die Beleuchtungsoptik hervorgerufenen Versatz der Foki zueinander quer zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik entgegengerichtet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Farbquerfehler verringert bzw. gänzlich kompensiert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Farb-Querkorrektureinrichtung um die optische Achse oder um die Ausbreitungsrichtung rotierbar sein. Somit können Farbquerfehler entlang jeder senkrecht zur optischen Achse stehenden Achse kompensiert werden. Die Beleuchtungsoptik kann mehrere transmittierende optische Elemente und/oder einen Strahlenverlauf umlenkende Elemente umfassen. Die Beleuchtungsseite der Beleuchtungsoptik kann einen optischen Eingang aufweisen, an welchem ein Lichtwellenleiter, über welchen das Licht einer Lichtquelle übertragen wird, angeschlossen werden kann. Ebenso kann an der Beleuch- tungsseite der Beleuchtungsoptik eine Lichtquelle vorgesehen sein.
Als Beleuchtungsseite eines Elementes, einer Optik oder einer Einrichtung ist jene Seite zu verstehen, welche in Richtung der Lichtquelle weist. Entsprechend ist die Probenseite eines Elementes, einer Optik oder einer Einrichtung als jene Seite zu verstehen, welche in Richtung der zu beleuchtenden Probe weist. Bei Betrachtung von Richtungen in einem gefalteten optischen Aufbau ist dieser als entfaltet anzusehen, so dass eine Seite eines Elements stets entweder zur Proben- oder zur Beleuchtungsseite weist.
Die Farb-Querkorrektureinrichtung kann auf der Probenseite bzw. auf der Beleuchtungsseite der Beleuchtungsoptik angeordnet sein, oder aber in der Beleuchtungsoptik, d.h. zum Beispiel zwischen zwei optischen Elementen der Beleuchtungsoptik, positioniert sein. Die Farb-Querkorrektureinrichtung kann als eine separate, als Einheit verbaubare Baugruppe mit einem beleuchtungsseitigen Eingang und einem probenseitigen Ausgang ausgestaltet sein, wobei die Farb-Querkorrektureinrichtung die Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen am probenseitigen Ausgang der Farb-Querkorrektureinrichtung gegeneinander versetzt und/oder gegeneinander verkippt. Der Versatz und/oder die Verkippung ist ein relativer Versatz und/oder relative Verkippung der Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen, d.h. am probenseitigen Ausgang wird kein absoluter Versatz und/oder Verkippung zwischen den Strahlengängen der mindestens zwei Wellenlängen generiert. Der relative Versalz und/oder die relative Verkippung kann auf einen unter Umständen bereits vorhandenen Versatz und/oder Verkippung der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen beaufschlagt werden.
Die Farb-Querkorrektureinrichtung kann ferner Linsen umfassen, welche aus einem Versatz zweier Strahlengänge zueinander eine Verkippung machen bzw. aus einer Verkippung zweier Strahlengänge zueinander einen Versatz. Folglich kann der am probenseitigen Ausgang der Farb-Querkorrektureinrichtung resultierende Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Verkippung der Strahlengänge zueinander und einer nachfolgenden Linse erzeugt werden. Ein Versatz bzw. eine Verkippung zweier Strahlengänge zueinander ist jeweils als relative Variation der Strahlengänge zueinander zu verstehen. Das Mikroskop kann ferner kippbare Scanelemente aufweisen, insbesondere Scanspiegel, die dazu dienen können, die Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen gemeinsam abzulenken, wobei bei einer solchen Ablenkung der relative Versatz bzw. die relative Verkippung der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen unverändert bleibt.
In einem Lichtscheibenmikroskop kann der Scanspiegel dazu genutzt werden, ein sogenanntes virtuelles Lichtblatt (Virtual lightsheet) zu erzeugen. In der zu betrachtenden Probe ausgebildete eindimensionale Fokusbereiche können durch den Scanspiegel bewegt werden, so dass sich das virtuelle Lichtblatt in einer Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung der Probe sequenzi- ell aufbaut. Ferner kann ein System aus Scanspiegeln vorgesehen sein, welches es erlaubt, das virtuelle Lichtblatt entlang der Beobachtungsrichtung zu verschieben und somit eine rechnergestützte dreidimensionalen Darstellung der Probe zu generieren.
Die Beleuchtungsoptik kann einen Farbquerfehler aufweisen, so dass auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik die Foki der mindestens zwei Wellenlängen in einem unterschiedlichen Abstand zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik ausgebildet sind. Die Farb- Querkorrektureinrichtung wirkt diesem relativen Versatz der Foki der wenigstens zwei Wellenlängen entgegen. Besonders bevorzugt wirkt die Farb-Querkorrektureinrichtung dem Versatz der Strahlengänge durch die Beleuchtungsoptik derart entgegen, dass besagter Versatz durch die Beleuchtungsoptik kompensiert wird. Unter der Kompensation ist zu verstehen, dass mittels der Farb-Querkorrektureinrichtung die Foki der mindestens zwei Wellenlängen derart gegeneinander versetzt werden, dass diese sich auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik in einer im Wesentlichen gleichen Entfernung zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik befinden. Durch eine Kaskadierung mehrerer Farb-Querkorrektureinrichtungen kann der Farbquerfehler für mehr als zwei Wellenlängen unabhängig voneinander korrigiert werden.
Die Farb-Querkorrektureinrichtung kann insbesondere im Bereich einer aufgeweiteten Strahltaille angeordnet sein, das heißt in einem Abschnitt des Strahlenganges bzw. der Strahlengänge mit geringer Divergenz bzw. Konvergenz.
In einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops umfasst die Farb- Querkorrektureinrichtung ein hochdispersives Dünnschichtfilter. Dieses hat den Vorteil, dass es einen platzsparenden Aufbau der Farb-Querkorrektureinrichtung erlaubt. Ein solches Filter kann zum Beispiel eine periodische Struktur dielektrischer Materialien unterschiedlicher Brechzahl umfassen, die zum Beispiel in Form einer sogenannten gechirpten Struktur (vgl. gechirpte Spiegel) oder einer Resonatorstruktur vorliegen kann.
In einer Ausgestaltung des Mikroskops kann die Farb-Querkorrektureinrichtung mindestens ein optisches Element umfassen, an dessen Probenseite die Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen gegenüber der Beleuchtungsseite gegeneinander verkippt sein können.
Derartige optische Elemente sind zum Beispiel Prismen und/oder Gitter, wobei die von diesen optischen Elementen erzeugte Winkeldispersion, d.h. die von der jeweiligen Wellenlänge abhängigen Winkel der mindestens zwei Wellenlängen zueinander, durch eine abbildende Optik mit einer ungeraden Anzahl optischer Elemente in einen Versatz der Strahlengängen der mindestens zwei Wellenlängen transformiert wird.
In dieser Ausgestaltung kann ferner ein Umlenkelement wie zum Beispiel ein Umlenkprisma und/oder ein Umlenkspiegel vorgesehen sein, mittels derer die mit der Winkeldispersion beaufschlagten Wellenlängen im Mittel wieder auf die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung zurückge- lenkt werden können.
Ein derartiger Aufbau einer optischen Umlenkeinrichtung mittels Umlenkspiegel bzw. mittels mindestens eines Umlenkspiegels und eines Umlenkprismas kann auch für die Farb- Querkorrektureinrichtung mit hochdispersivem Dünnschichtfilter verwendet werden. Im Falle des Filters kann somit der Strahlengang beider seitlich zueinander versetzter Wellenlängen im Mittel wieder auf die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung umgelenkt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops sind wenigstens zwei optische Farb-Querkorrekturelemente vorgesehen, von denen wenigstens ein optisches Farb- Querkorrekturelement relativ kippbar zum anderen Farb-Querkorrekturelement ausgestaltet ist. Eine kippbare Anordnung wenigstens eines der optischen Farb-Querkorrekturelemente hat den Vorteil, dass der Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen eingestellt werden kann.
Die wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente können bevorzugt in Transmission betrieben werden. Ebenso können zwei hochdispersive Dünnschichtfilter vorgesehen sein.
Die Farb-Querkorrekturelemente sind bevorzugt drehbar um eine Achse gelagert, wobei die Achse bevorzugt parallel zum Lichtblatt orientiert sein kann und/oder senkrecht zu jener Ebene liegen kann, die durch die optische Achse der Beleuchtungsoptik und die Richtung des Farb- querfehlers definiert ist.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops ist wenigstens eines der wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente als transmittierende, im Wesentlichen planparallele Platte ausgestaltet.
Bevorzugt können beide Farb-Querkorrekturelemente als jeweils planparallele transmittierende Platte ausgestaltet sein. Eine im Wesentlichen planparallele Platte hat den Vorteil, dass diese bei nicht senkrechtem Einfall von Licht unterschiedlicher Wellenlängen die unterschiedlichen spektralen Anteile gegeneinander versetzt, wobei alle Wellenlängenanteile einen gemeinsamen Versatz durch die planparallele Platte erfahren. Unter ,im Wesentlichen planparallel' ist zu verstehen, dass die transmittierende Platte einen geringfügigen Keil (sogenannte wedged optical elements) aufweisen kann. Dies hat den Vorteil, dass Fabry Perot Effekte vermieden werden können. Ein optisches Element mit einem geringfügigen Keil ist im Rahmen dieser Beschreibung noch als planparallel anzusehen. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops sind zwei der wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente als transmittierende, im Wesentlichen planparallele Platten ausgestaltet, wobei die wenigstens zwei planparallelen transmittierenden Platten eine unterschiedliche Brechzahl und/oder Dicke aufweisen. Sind die beiden Platten mit unterschiedlicher Brechzahl und/oder Dicke ausgestaltet, so ist es möglich, den gemeinsamen Strahlver- satz der Strahlengängen der mindestens zwei Wellenlängen zu kompensieren, ohne jedoch den relativen Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen ebenso zu kompensieren.
Die zwei planparallelen transmittierenden Platten unterschiedlicher Brechzahl und/oder Dicke können jeweils unter unterschiedlichen Winkeln zu den Strahlengängen orientiert sein, insbe- sondere kann eine Platte im mathematisch positiven Richtungssinn (gegen den Uhrzeigersinn), die andere Platte im mathematisch negativen Richtungssinn (Im Uhrzeigersinn) verkippt sein. Dies erlaubt es, die absolute Verschiebung der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung zu kompensieren.
Die unterschiedlichen Winkel zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung erzeugen eine unter- schiedliche Winkelaufspaltung der mindestens zwei Wellenlängen und ferner einen unterschiedlichen Versatz, der dadurch ausgeglichen wird, dass die planparallele Platte mit der geringeren Winkelaufspaltung und dem geringeren Versatz dicker ausgestaltet ist. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops weisen die wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente eine unterschiedliche Materialdispersion auf. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein relativ großer Versatz zweier unterschiedlicher Wellenlängen zueinander gewünscht ist. Die Materialdispersion ist ein Materialparameter, mittels welchem sich die Aufspaltung zweier unterschiedlicher Wellenlängen bzw. der Versalz zweier unterschiedlicher Wellenlängen zueinander einstellen lässt. Hochdispersive Materialien mit niedriger Abbe-Zahl (z. B. Flintglas) können für den relativen Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander verwendet werden, wohingegen niedrigdispersive Materialien mit hoher Abbe-Zahl wie Kronglas dazu verwendet werden können, den gemeinsamen Strahlversatz beider Wellenlängen zu kompensieren, ohne jedoch den relativen Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander komplett zu kompensieren.
Da beispielsweise Krongläser und Flintgläser eine ähnliche Brechzahl aufweisen, werden zwei planparallele Platten aus diesen beiden Materialien einen vergleichbaren absoluten Versatz beider unterschiedlicher Wellenlängen generieren, wohingegen das höherdispersive Flintglas einen größeren relativen Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander generiert.
Der relative Versatz der Strahlengängen der mindestens zwei Wellenlängen zueinander kann ferner vergrößert werden, wenn die planparallele Platte mit geringerer Dispersion unter einem geringeren Winkel zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung im Strahlengang angeordnet ist und eine größere Dicke aufweist als die planparallele Platte mit größerer Materialdispersion.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops sind die wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente miteinander bewegungsübertragend gekoppelt. Dies hat den Vorteil, dass der relative Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander variabel einstellbar ist und zeitgleich durch die bewegungsübertragende Kopplung der wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente der geänderten absoluten Versatz der Strahlengänge zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung kompensiert werden kann.
Der relative Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen nach Transmission durch das erste optische Farb-Querkorrekturelement ist abhängig vom Winkel des beleuch- tungsseitigen Farb-Querkorrekturelements zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des Lichtes. Ein größerer Winkel führt zu einem größeren relativen Versatz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen, allerdings auch zu einem erhöhten absoluten Versatz der Strah- lengänge zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung. Die bewegungsübertragende Kopplung des probenseitigen optischen Farb-Querkorrekturelements kann derart ausgestaltet sein, dass diese den variierten absoluten Versatz der Strahlengänge zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen kompensiert. Die wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente können mechanisch, z. B. durch ein Getriebe, bewegungsubertragend gekoppelt sein. Die bewegungsübertragende Kopplung kann auch elektrisch, z. B. mittels zweier Elektromotoren, insbesondere Schrittmotoren erfolgen.
Eine derartige bewegungsübertragende Kopplung kann ebenso in den zuvor genannten Ausge- staltungen des Mikroskops mit einem hochdispersiven Dünnschichtfilter bzw. einem die Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen gegeneinander verkippenden optischen Element, wie zum Beispiel Prisma oder Gitter, angewandt werden.
Die die mindestens zwei Wellenlängen gegeneinander verkippenden Elemente können einzeln und/oder gegeneinander entlang der Ausbreitungsrichtung verschieblich sein. Prismen können ferner entlang oder entgegen einer Einschubrichtung verschieblich sein, wobei die Einschubrichtung von einer Prismenbasis zu einem Apex weist.
Somit kann die Farb-Querkorrektureinrichtung als Einrichtung ausgestaltet sein, welche in die Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen eingebracht werden kann, wobei am probenseitigen Ausgang der Farb-Querkorrektureinrichtung lediglich ein relativer Versatz der Strahlen- gänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander, jedoch kein absoluter Versatz der Strahlengänge zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung auftritt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops ist eine Farb- Längskorrektureinrichtung vorgesehen, wobei die Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtungsseitig der Farb-Längskorrektureinrichtung eine Diver- genz oder Konvergenz zueinander aufweisen, die sich von der Divergenz oder Konvergenz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander auf der Probenseite der Farb- Längskorrektureinrichtung unterscheiden. Dies hat den Vorteil, dass eine relative Verschiebung der Fokuslagen der mindestens zwei Wellenlängen zueinander entlang der optischen Achse der Beleuchtungsoptik möglich ist. Die Verschiebung der Foki der mindestens zwei Wellenlängen entlang bzw. entgegen der optischen Achse der Beleuchtungsoptik kann zum Beispiel dafür genutzt werden, beide Foki in Überlappung miteinander zu bringen, so dass ein durch die überlappenden Foki definierter Bereich zeitgleich mit beiden Wellenlängen beleuchtet werden kann.
Die Farb-Längskorrektureinrichtung kann insbesondere alleinstehend, das heißt ohne die Farb- Querkorrektureinrichtung in einem Mikroskop vorgesehen sein. Die Beleuchtungsoptik des Mikroskops kann einen Farb-Längsfehler aufweisen, wobei es die Farb-Längskorrektureinrichtung erlaubt, die durch den Farb-Längsfehler auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik auftretenden Verschiebungen der Fokuspunkte unterschiedlicher Wellenlängen relativ zueinander entlang bzw. entgegen der optischen Achse zusätzlich und gezielt zu verschieben und diese z. B. in Überdeckung zu bringen. Ein Farb-Querfehler kann weiterhin auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik auftreten.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Divergenz bzw. Konvergenz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen durch die Farb-Längskorrektureinrichtung relativ zueinander derart zu verändern, dass diese Änderung auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik zu einer Überdeckung der Fokuspunkte der mindestens zwei Wellenlängen in bzw. entgegen der opti- sehen Achse der Beleuchtungsoptik führt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops weist die Farb- Längskorrektureinrichtung mindestens ein refraktives und mindestens ein diffraktives optisches Element auf.
Refraktive optische Elemente können zum Beispiel als sphärische Linsen ausgestaltet sein. Diffraktive optische Elemente, auch DOE genannt, können als im Wesentlichen plane optische Elemente ausgestaltet sein, die eine Mikrostruktur aufweisen. Die Mikrostruktur weist in Abhängigkeit von der Position auf dem DOE unterschiedliche optische Weglängen für transmittiertes Licht auf, so dass durch das DOE durchtretende Teilstrahlen phasenmoduliert sind und konstruktive oder destruktive Interferenz des Lichts durch das DOE hervorgerufen wird. Während eine sphärische Linse mit normaler Dispersion für kurzwelliges Licht eine kürzere Brennweite aufweist als für langwelliges Licht, ist die Relation der Brennweiten für eine diffraktiv arbeitende Linse entgegengesetzt.
Um im Stand der Technik zur Korrektur des Farb-Längsfehlers einen gewünschten Unterschied in der Divergenz bzw. Konvergenz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen mit konventionellen Linsen zu erreichen, muss im Allgemeinen beiden Farben eine stärkere Divergenz bzw. Konvergenz aufgeprägt werden. Mit vorliegender Erfindung kann eine relative Änderung der Konvergenz bzw. Divergenz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen erreicht werden, ohne dass bei den Strahlengängen eine starke absolute Divergenz bzw. Konvergenz aufgeprägt werden muss.
Insbesondere kann die Farb-Längskorrektureinrichtung auf der Beleuchtungs- und der Proben- seite eine im Wesentlichen identische absolute Konvergenz bzw. Divergenz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen aufweisen, wohingegen die Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen auf der Probenseite der Farb-Längskorrektureinrichtung eine relative Änderung der Divergenz oder Konvergenz zueinander aufweisen können.
In einerweiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops weist das mindestens eine refraktive optische Element und/oder das mindestens eine diffraktive optische Element eine variabel einstellbare Brennweite auf. Dies hat den Vorteil, dass sowohl die absolute Lage der Foki der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen, als auch die relative Lage der Foki der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander einstellbar ist.
Bevorzugt können dabei sowohl das refraktive optische Element als auch das diffraktive opti- sehe Element variabel einstellbar sein. Somit kann die Korrektur eines Farblängsfehlers für verschiedene Kombinationen aus zwei Wellenlängen möglich sein, ohne dass die effektive Brennweite, d. h. beispielsweise die Lage des Lichtblattes verändert wird.
In jeder Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops können auch mehrere Farb-Längs- korrektureinrichtungen kaskadiert vorgesehen sein, um den Farblängsfehler für mehr als zwei Wellenlängen kompensieren zu können. Die Kaskadierung von Farb-Längskorrektureinrich- tungen kann unabhängig von einer Kaskadierung der Farb-Querkorrektureinrichtungen zusätzlich oder alternativ zu dieser erfolgen.
Das refraktive optische Element kann eine flüssigkeitsgefüllte Linse sein, die über Druck oder ein Piezzoelement in ihrer Brennweite veränderbar ist. Das diffraktive, bevorzugt durchstimmbare, optische Element kann eine diffraktive durchstimmbare Linse, wie z. B. eine diffraktive Moire-Linse, eine diffraktive Flüssigkristall-Linse oder eine Alvarez-Lohmann-Linse sein.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops ist das mindestens eine diffraktive optische Element als räumlicher Lichtmodulator ausgestaltet. Ein räumlicher Licht- modulator, auch SLM (englisch: spatial light modulator) genannt, kann repetitiv, reproduzierbar und mit Schaltzeiten im Bereich weniger Millisekunden bis zu 100 ms unterschiedliche phasenmodulierende Mikrostrukturen generieren.
Der räumliche Lichtmodulator kann transmittiv oder reflektiv ausgestaltet sein. Da ein reflektiver räumlicher Lichtmodulator gefaltete Strahlengänge und einen größeren Abstand zwischen dem Lichtmodulator und der refraktiven Optik benötigt, ist bevorzugt ein transmittiver räumlicher Lichtmodulator vorgesehen.
Ein weiterer Vorteil eines räumlichen Lichtmodulators ist, dass dieser im Allgemeinen mit computergenerierten Beugungsmustern beaufschlagt werden kann, welche zum Beispiel rechnergestützt auf einfache Weise einer Optimierung unterworfen werden können, um die gewünschte relative Verschiebung der Foki auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik einzustellen. Die im Vergleich trägere diffraktive Linse kann auf einen festen Wert eingestellt werden, wobei Abweichungen der variablen refraktiven Linse zum gewünschten voreingestellten Wert durch die variable diffraktive Linse, welche durch den räumlichen Lichtmodulator zur Verfügung gestellt wird, ausgeglichen werden können. In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops verlaufen die Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen in nicht-paraxialen Randbereichen der Beleuchtungsoptik, wobei auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik mindestens ein, die Strahlengänge um im Wesentlichen 90° umlenkender Umlenkspiegel vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass die Beleuchtungsoptik mindestens zwei unterschiedliche Beleuchtungsmodi aufweist. Das Mikroskop kann eine Beobachtungsoptik, zum Beispiel in Form eines Okulars, aufweisen, welches bevorzugt koaxial zur Beleuchtungsoptik angeordnet ist. Die Strahlengänge der Be- leuchtungs- und Beobachtungsoptik können parallel zueinander orientiert sein.
Die Beleuchtungsoptik kann im Wesentlichen kollinear zu einer Detektionsoptik angeordnet sein, so dass die Beleuchtungsoptik auch paraxial oder zur konfokalen Beleuchtung verwendet werden kann. Dieselbe Beleuchtungsoptik kann somit durch Nutzung der nicht-paraxialen Randbereiche der Beleuchtungsoptik und der Umlenkspiegel zur seitlichem Beleuchtung der Probe als auch zur koaxialen Beleuchtung der Probe (Durchlichtmikroskopie/Konfokal- mikroskopie) genutzt werden. Besonders bevorzugt können zwei Umlenkspiegel vorgesehen sein, die diametral gegenüberliegend vom Inspektionsbereich angeordnet sind. Dies kann eine Beleuchtung von mindestens einer der zwei Seiten bzw. eine beidseitige Beleuchtung der Probe ermöglichen. Insbesondere bei nicht-paraxialer Transmission der mindestens zwei Wellenlängen durch die Beleuchtungsoptik kann eine Farb-Querkorrektur durch das optische Farb- Querkorrekturelement erfolgen, wobei optional eine zusätzliche Farb-Längskorrektur durch das optische Farb-Längskorrekturelement möglich ist. Der Farb-Querfehler und der Farblangsfehler sind unabhängig voneinander und überlagern sich linear.
In einer Ausgestaltung des Mikroskops kann sich die Farb-Längskorrektureinrichtung sowohl im Strahlengang der paraxialen als auch im Strahlengang der nicht-paraxialen Bereiche der Beleuchtungsoptik befinden, so dass sowohl bei einer seitlichen Probenbeleuchtung als auch bei einer koaxialen Probenbeleuchtung eine Farb-Längskorrektur stattfinden kann. Die optische Farb-Querkorrektureinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sich diese lediglich im Strahlengang der in den nicht-paraxialen Randbereichen der Beleuchtungsoptik verlaufenden mindestens zwei Wellenlängen befindet, so dass lediglich bei seitlicher Probenbeleuchtung eine Farb-Querkorrektur durch die optische Farb-Querkorrektureinrichtung stattfinden kann.
Die zuvor erwähnten Scanspiegel können sowohl die paraxialen Strahlengänge als auch die nicht-paraxial Strahlengänge ablenken.
Der eingangs erwähnte optische Nachrüstsatz für ein Mikroskop kann als eine separate, als Einheit verbaubare Baugruppe ausgestaltet sein, welche in Mikroskopen nachgerüstet werden kann, um bei Beleuchtung einer Probe im Mikroskop mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen die Fokuslage der Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellen- längen zueinander quer zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik zu verschieben.
Insbesondere kann der optische Nachrüstsatz in einer weiteren Ausgestaltung desselben derart ausgestaltet sein, dass der auf der Probenseite der Beleuchtungsoptik durch das Farb- Querkorrekturelement hervorgerufene Versatz der Foki der mindestens zwei Wellenlängen quer zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik den im Wesentlichen durch die Beleuchtungsoptik hervorgerufenen Versatz der Foki zueinander quer zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik entgegengerichtet ist. Somit ist es möglich, einen Farb-Querfehler einer Beleuchtungsoptik eines bestehenden Mikroskops zu korrigieren.
Der optische Nachrüstsatz kann ferner derart ausgestaltet sein, dass bei Kombination desselben mit einem bestehenden Mikroskop ein Mikroskop erhalten wird, welches identisch mit einer Ausgestaltung eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Mikroskops ist.
Der optische Nachrüstsatz kann somit ein hochdispersives Dünnschichtfilter umfassen, mindestens ein optisches Element umfassen, an dessen Probenseite die Strahlengänge der mindes- tens zwei Wellenlängen gegenüber der Beleuchtungsseite gegeneinander verkippt sind, wenigstens zwei optische Farb-Querkorrekturelemente vorsehen, von denen wenigstens ein optisches Farb-Querkorrekturelement relativ kippbar zum anderen Farb-Querkorrekturelement ausgestaltet ist und wenigstens eines oder zwei der wenigstens zwei optischen Farb- Querkorrekturelemente als transmittierende, im Wesentlichen planparallele Platte vorsehen, die eine unterschiedliche Dicke oder unterschiedliche Materialdispersion aufweisen können und/oder bewegungsübertragend miteinander gekoppelt sein können.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Nachrüstsatzes ist eine Farb-Längskorrektureinrichtung vorgesehen, wobei die Strahlengänge der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtungsseitig der Farb-Längskorrektureinrichtung eine Divergenz oder Konvergenz zueinander aufweisen, die sich von der Divergenz oder Konvergenz der Strahlengänge der mindestens zwei Wellenlängen zueinander auf der Probenseite der Farb-Längskorrektureinrichtung unterscheiden. Weist eine Beleuchtungsoptik eines bestehenden Mikroskops einen Farblängsfehler auf, so kann mit dieser Ausgestaltung des optischen Nachrüstsatzes dieser Farblängsfehler kompensiert werden.
Insbesondere kann der optische Nachrüstsatz lediglich eine Farb-Längskorrektureinrichtung umfassen, so dass alleinig ein Farblängsfehler einer bestehenden Beleuchtungsoptik korrigiert werden kann.
Die Farb-Längskorrektureinrichtung des optischen Nachrüstsatzes kann ebenso wie eine zuvor erwähnte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops mindestens ein refraktives und mindestens ein diffraktives optisches Element aufweisen, wobei das mindestens eine refraktive optische Element und/oder das mindestens eine diffraktive optische Element eine variabel einstellbare Brennweite aufweisen können und wobei das mindestens eine diffraktive optische Element als räumlicher Lichtmodulator ausgestaltet sein kann. Mit anderen Worten kann durch das Nachrüsten eines bestehenden Mikroskops mit einer Ausgestaltung des optischen Nachrüstsatzes eine zuvor beschriebene Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops erhalten werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt, deren technische Merkmale beliebig miteinander kombiniert und/oder weggelassen werden, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt. Glei- che technische Merkmale und technische Merkmale mit gleicher Funktion sind der Übersichtlichkeit halber mit demselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Farb-Längsfehlers und Farb-Querfehlers in einem Konfokalmikroskop;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Farb-Längsfehlers und des Farb-Querfehlers in einem Lichtscheibenmikroskop;
Fig. 3A eine erste Ausgestaltung des Farb-Querkorrekturelements;
Fig. 3B eine zweite Ausgestaltung des Farb-Querkorrekturelements;
Fig. 3C eine dritte Ausgestaltung des Farb-Querkorrekturelements;
Fig. 4 eine Beleuchtungsoptik mit in die Strahlengänge eingebrachtem Farb- Querkorrekturelement;
Fig. 5A eine schematische Darstellung des Farb-Längsfehlers bei einem diffraktiven optischen Element;
Fig. 5B eine schematische Darstellung des Farb-Längsfehlers bei einem refraktiven optischen Element umfassend eine durchstimmbare konvexe Linse;
Fig. 5C eine Farb-Längskorrektureinrichtung in einem ersten Korrekturzustand;
Fig. 5D die Farb-Längskorrektureinrichtung der Fig. 5C in einem zweiten Korrekturzustand;
Fig. 6A ein Teil der Farb-Querkorrektureinrichtung einer dritten Ausgestaltung; und
Fig. 6B ein Teil der Farb-Querkorrektureinrichtung der dritten Ausgestaltung der Fig. 6A mit geringerer Winkeldispersion.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikroskops 1, insbesondere eines Konfokalmikroskops 3, welches eine Beleuchtungsoptik 5, Linsen 7 und weitere optischen Elemente 9 aufweist. Die weiteren optischen Elemente 9 sind durch ein Rechteck symbolisiert. Das Mikroskop 1 umfasst ferner eine Lichtquelle 11 , die in anderen Ausgestaltungen des Mikroskops 1 auch Teil der Beleuchtungsoptik 5 sein können, eine Probenhalterung 15, auf welcher eine Probe 15a angeordnet sein kann, und eine Beobachtungsoptik 17, über welche die durch die Beleuchtungsoptik 5 beleuchtete Probe 15a beobachtet werden kann. Das in Fig. 1 dargestellte Konfokalmikroskop 3 weist ein Okular 19 zur Beobachtung auf, wobei in anderen Ausgestaltungen des Konfokalmikroskops 3 bevorzugt eine Aufnahme, Verarbeitung und Anzeige der Probe 15a über digitale Bildsensoren und Monitore erfolgen kann.
Insbesondere zeigt Fig. 1 nicht den sequenziellen Bildaufbau der Konfokalmikroskopie oder eine entsprechend notwendige Raster- und Abtastvorrichtung.
Eine Vergrößerung 13 zeigt ein refraktives optisches Element 21 der Beleuchtungsoptik 5, welches als Linse 7 ausgestaltet ist.
Durch die Linse 7 verlaufen zwei Strahlengänge 23, wobei die unterschiedlichen Strahlengänge 23 einen kurzwelligen Strahlengang 23a und einen langweiligen Strahlengang 23b darstellen. Die Strahlengänge 23 werden schematisch anhand von Randstrahlen von Strahlenbündeln 25 dargestellt und der kurzwellige Strahlengang 23a, welcher mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, entspricht dem Strahlengang 23 von kurzwelliger Strahlung einer ersten Wellenlänge 27a, welche kürzer ist als eine Wellenlänge 27 von langwelliger Strahlung einer zweiten Wellenlänge 27b. Hierbei ist die absolute Wellenlängendifferenz beider Wellenlängen 27a, 27b we- niger relevant für die folgende Beschreibung, lediglich die Relation beider Wellenlängen 27a, 27b ist für die folgenden Betrachtungen notwendig.
Im Folgenden werden die Bezeichnungen kurzwelliges und langwelliges Licht sowie blaues und rotes Licht synonym für die erste Wellenlänge 27a und die zweite Wellenlänge 27b verwendet.
Zu erkennen ist in Fig. 1, dass auf einer Beleuchtungsseite 29 der Linse 7 das blaue 27a und das rote Licht 27b im Wesentlichen einen identischen Strahlengang 23 aufweisen. Die Linse 7 ist in der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung des Mikroskops 1 als Bikonvexlinse 7a ausgestaltet und fokussiert das auf die Linse 7 einfallende Licht in einem Fokusbereich 31 , welcher lediglich im Näherungsfall der geometrischen Optik von Strahlenbündeln 25 ein Fokuspunkt ist.
Aufgrund der Materialdispersion 33, welche einen Materialparameter des Linsenmaterials 35 darstellt, wird das blaue Licht 27a in einem ersten Fokusbereich 31a und das rote Licht 27b in einem zweiten Fokusbereich 31b fokussiert.
Im Folgenden werden die Bezeichnungen blauer und roter Fokusbereich synonym zum ersten 31a und zweiten Fokusbereich 31b verwendet.
Die Linse 7, welche Teil der Beleuchtungsoptik 5 ist, weist zwei voneinander unabhängige, sich linear überlagernde Farbfehler 37 auf. Ein Längsfarbfehler 37a, auch laterale chromatische Aberration genannt, äußert sich in einem lateralen Versatz 39 zwischen dem blauen Fokusbereich 31a und dem roten Fokusbereich 31b entlang einer optischen Achse 41 bzw. entlang einer Richtung parallel zur optischen Achse 41.
Ein Querfarbfehler 37b, auch transversale chromatische Aberration genannt, äußert sich in ei- nem transversalen Versatz 43 des blauen Fokusbereiches 31a und des roten Fokusbereiches 31 b zueinander in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 41.
Entlang der in Fig. 1 gezeigten optischen Achse 41 verläuft in der gezeigten Ausführungsform ebenso eine optische Achse der Beobachtungsoptik 41a. Die Beobachtungsoptik 17 ist auf eine Beobachtungsebene 47 eingestellt, so dass lediglich Objekte, die sich in der Beobachtungs- ebene 47 befinden, von der Beobachtungsoptik 17 scharf abgebildet werden.
Allerdings werden vom blauen Licht 27a und vom roten Licht 27b unterschiedliche Bereiche 31a, 31b beleuchtet, so dass in der eingezeichneten Beobachtungsebene 47 zwar der blaue Fokusbereich 31a punktuell beleuchtet wird, das rote Licht 27b allerdings einen größeren Lichtfleck 49 beleuchtet als das blaue Licht 27a. Die Fig. 2 zeigt ebenso ein Mikroskop 1 , wobei das gezeigte Mikroskop 1 ein Lichtscheibenmikroskop 2 ist.
Auch das Lichtscheibenmikroskop 2 umfasst eine Beleuchtungsoptik 5 und eine Beobachtungsoptik 17. Die prinzipiellen Unterschiede der Beleuchtung im Vergleich zum in Fig. 1 gezeigten Konfokalmikroskop 3 sind in der Vergrößerung 13 dargestellt. Die Vergrößerung 13 zeigt eine Linse 7 und ein Umlenkelement 51 in Form eines Umlenkspiegels 53, die Teil der Beleuchtungsoptik 5 sind. Auch die Beleuchtungsoptik 5 des Lichtblattmikroskops 2 umfasst mehrere Linsen 7, weitere optische Elemente 9 und eine Lichtquelle 11.
Des Weiteren umfasst das Lichtblattmikroskop 2 eine Schale 55, die mit Immersionsflüssigkeit 57 gefüllt ist, so dass eine Beobachtungsoptik 17, insbesondere ein Mikroskopobjektiv 17a mit einer hohen numerischen Apertur verwendet werden kann.
Auch das in Fig. 2 gezeigte Lichtblattmikroskop 2, insbesondere dessen Beleuchtungsoptik 5, weist sowohl einen Längsfarbfehler 37a als auch einen Querfarbfehler 37b auf.
Im gezeigten Lichtblattmikroskop 2 wird die Probe 15a in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 41 beleuchtet. Die optische Achse 41 ist zugleich die optische Achse der Beo- bachtungsoptik 41 a. In Fig. 2 ist eine Beobachtungslinse 7b gezeigt, welche sich in der Immersionsflüssigkeit 57 befindet. Die Beobachtungslinse 7b bildet eine Beobachtungsebene 47 ab, wobei in der in Fig. 2 gezeigten Darstellung die Beobachtungsebene 47 lediglich vom roten Licht 27b korrekt beleuchtet wird, während sich die vom blauen Licht 27a beleuchtete weitere Ebene 47a in Beo- bachtungsrichtung 59 hinter der Beobachtungsebene 47 liegt und somit durch die Beobachtungslinse 7b nicht mehr scharf abgebildet werden kann.
Der Längsfarbfehler 37a führt im Lichtblattmikroskop 2 zu einer Verteilung der Intensität der Wellenlängen 27, welche entlang einer Beleuchtungsrichtung 61 variiert.
In der Fig. 2 ist lediglich die stationäre Beleuchtung in einem Lichtblattmikroskop 2 gezeigt. Der Aufbau des Lichtblattes, d.h. des zweidimensionalen beleuchteten Bereiches erfolgt durch eine Verkippung der Strahlengängen 23 um eine Scanachse 63 mittels eines in Fig. 2 nicht gezeigten Umlenkelementes (siehe Fig. 4).
Die Fig. 3A zeigt eine erste Ausgestaltung einer Farb-Querkorrektureinrichtung 65, welche zwei optische Farb-Querkorrekturelemente 67 in Form transmittierender, im Wesentlichen planparal- leler Platten 68 umfasst.
Für die Beschreibung wird angenommen, dass die Beleuchtungsrichtung 61 wie in Fig. 3A angegeben verläuft. Da optische Wege umkehrbar sind, wird allerdings exakt derselbe technische Effekt mit der gezeigten Farb-Querkorrektureinrichtung 65 erzeugt, wenn diese entgegen der eingezeichneten Beleuchtungsrichtung 61 beleuchtet wird. Ein erstes Farb-Querkorrekturelement 67a weist eine Dicke 69 auf, welche größer als eine Dicke 71 eines zweiten Farb-Querkorrekturelements 67b ist.
Ferner ist das erste Farb-Querkorrekturelement 67a im Uhrzeigersinn 73 gegen eine ursprüngliche Ausbreitungsrichtung 75 in einem ersten Verkippungswinkel 77a verkippt.
Das zweite Farb-Querkorrekturelement 67b ist im Drehsinn gegen den Uhrzeigersinn 79 gegen die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung 75 in einem zweiten Verkippungswinkel 77b verkippt.
In der in Fig. 3A gezeigten Ausgestaltung der Farb-Querkorrektureinrichtung 65 ist ferner gezeigt, dass die Strahlengänge 23 des blauen 27a und des roten Lichtes 27b auf der Beleuchtungsseite 29 der Farb-Querkorrektureinrichtung 65 identisch sind und die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung 75 festlegen. Das erste Farb-Querkorrekturelement 67a erzeugt aufgrund seiner Materialdispersion 33a eine Winkeldispersion 81, die auf einer Probenseite 81 des ersten Farb-Querkorrekturelements 67a einen relativen Versatz 85 zwischen dem blauen 27a und dem roten Licht 27b erzeugt.
Ebenso tritt ein absoluter Versatz 85a beider Wellenlängen 27a, 27b gegenüber der ursprüngli- chen Ausbreitungsrichtung 75 auf. Ein Referenzpunkt zur Ermittlung des absoluten Versatzes 85a ist in Fig. 3A zentral zwischen dem blauen 27a und dem roten Licht 27b definiert. In Fig. 3A ist der relative Versatz 85 größer und nicht maßstabsgetreu in Bezug zum absoluten Versatz 85a eingezeichnet. Der absolute Versatz 85a ist größer als der relative Versatz 85.
Da das zweite Farb-Querkorrekturelement 67b entgegen dem Uhrzeigersinn 79 gegen die ur- sprüngliche Ausbreitungsrichtung 75 verkippt ist, bewirkt dieses, dass aufgrund der Materialdispersion 33b (diese kann sich von der Materialdispersion 33a unterscheiden) der absolute Versatz 85a verringert bzw. komplett kompensiert wird. Auf der Beleuchtungsseite 29 des zweiten Farb-Querkorrekturelements 67b, d.h. an einem probenseitigen Ausgang 84 des zweiten Farb- Querkorrekturelements 67b zur Probenseite 83 des zweiten Farb-Querkorrekturelements 67b tritt lediglich ein relativer Versatz 85b auf.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das zweite Farb-Querkorrekturelement 67b den absoluten Versatz 85a des ersten Farb-Querkorrekturelements 67a vollständig kompensiert.
Auf der Probenseite 83 des zweiten Farb-Querkorrekturelementes 67b besteht zwischen dem blauen 27a und dem roten Licht 27b der relative Versatz 85b und ein absoluter Versatz 85a, der ungefähr Null beträgt.
Die beiden Farb-Querkorrekturelemente 67 weisen jeweils ein Bewegungsübertragungselement 133 auf, welches mit einer Synchronisationseinheit 135 verbunden ist. Die Synchronisationseinheit 135 steuert eine variable Rotation des ersten Farb-Querkorrekturelements 67a und synchronisiert eine entgegengerichtete Rotation des zweiten Farb-Querkorrekturelements 67b. Die Bewegungsübertragungselemente 133 sind als Schrittmotoren 133a ausgestaltet.
In einer anderen Ausgestaltung der Farb-Querkorrektureinrichtung 65 kann die Synchronisation zum Beispiel mittels eines Getriebes erfolgen.
Die Fig. 3B zeigt eine zweite Ausgestaltung der Farb-Querkorrektureinrichtung 65. Diese um- fasst ein als ein Umlenkprisma 87 ausgestaltetes Umlenkelement 51, ein hochdispersives Dünnschichtfilter 89 und ein als Umlenkspiegel 53 ausgestaltetes Umlenkelement 51. Auf der Beleuchtungsseite 29 der Farb-Querkorrektureinrichtung 65 weisen das blaue 27a und das rote Licht 27b einen identischen Strahlengang 23 auf. Die Strahlengänge 23 des blauen 27a und roten Lichtes 27b sind lediglich schematisch gegeneinander versetzt.
Das Umlenkprisma 87 lenkt die koaxial verlaufenden Strahlengänge 23 auf das hochdispersive Dünnschichtfilter 89, welches eine Winkeldispersion 81 generiert, die beim Verlassen des hochdispersiven Dünnschichtfilters 89 in einem relativen Versatz 85 zwischen dem blauen 27a und dem roten Licht 27b resultiert.
Da das hochdispersive Dünnschichtfilter 89 eine dispersive Struktur 91 (z. B. eine periodische Struktur, gechirpte Struktur oder Resonatorstruktur) aufweist, wird das blaue Licht 27a im hochdispersiven Dünnschichtfilter 89 weniger stark abgelenkt als das rote Licht 27b.
Durch den Umlenkspiegel 53 werden die Strahlengänge 23a und 23b in Richtung des Umlenkprisma 87 umgelenkt, welches die beiden Strahlengänge 23a, 23b im Wesentlichen zentriert zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung 75 auf der Probenseite 83 der Farb- Querkorrektureinrichtung 65 ausgibt. Auf der Probenseite 83 der Farb-Querkorrektureinrichtung 65 beträgt der absolute Versatz 85a somit ca. Null und die beiden Strahlengänge 23a und 23b weisen lediglich den relativen Versatz 85b zueinander auf.
In Fig. 3C ist eine dritte Ausgestaltung der Farb-Querkorrektureinrichtung 65 gezeigt.
In dieser Ausgestaltung sind die zwei Farb-Querkorrekturelemente 67 als Prismen 131 ausge- staltet.
Beide Prismen 131 sind um eine jeweilige Drehachse 151a, 151b drehbar und/oder entlang bzw. entgegen einer Einschubrichtung 157 verschiebbar. Die Einschubrichtung 157 erstreckt sich von einer Prismenbasis 159 zu einem Apex 161 , unabhängig von der Rotation des Prismas 131. Beide Prismen 131 können unterschiedliche Einschubrichtungen 157 aufweisen. Das erste 67a und zweite Farb-Querkorrekturelement 67b weisen dabei eine voneinander verschiedene Materialdispersion 33a, 33b auf. Bevorzugt ist die Materialdispersion 33a größer als die Materialdispersion 33b. Das Prisma 131 mit hoher Materialdispersion 33a lenkt die erste 27a und zweite Wellenlänge 27b um einen ersten mittleren Ablenkwinkel 153a ab. Zwischen der ersten 27a und zweiten Wellenlänge 27b bildet sich eine relative Aufspaltung 155 aufgrund der ersten Materialdispersion 33a heraus. Das Prisma 131 geringerer Materialdispersion 33b lenkt sowohl die erste 27a als auch die zweite Wellenlänge 27b um einen zweiten mittleren Ablenkwinkel 153b ab, wobei diese Ablenkung bevorzugt die Ablenkung um den ersten mittleren Ablenkwinkel 153a kompensiert, sodass eine sich ergebende zweite Ausbreitungsrichtung 75b lediglich seitlich parallel zu einer ersten Aus- breitungsrichtung 75a verschoben, aber im Wesentlichen parallel zu dieser orientiert ist. Optische Achsen 41b, 41c sind ebenso parallel versetzt.
Nach Transmission der ersten 27a und zweiten Wellenlänge 27b durch die Prismen 131 weisen diese den relativen Versatz 85 zueinander und beide gemeinsam den absoluten Versatz 85a zur ersten Ausbreitungsrichtung 75a auf. Die Fig. 4 zeigt eine Beleuchtungsoptik 5 mit installierter Farb-Querkorrektureinrichtung 65.
Auf der Beleuchtungsseite 29 der Beleuchtungsoptik 5 verlaufen die beiden Strahlengänge 23a, 23b kollinear und zentriert zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung 75 und werden durch ein fokussierendes Element 7e (hier in Form einer Linse 7d gezeigt) fokussiert. Die Farb- Querkorrektureinrichtung 65 ist dabei zwischen dem fokussierenden Element 7e und auftreten- den Zwischenfokusbereichen 31c angeordnet. Die Farb-Querkorrektureinrichtung 65 führt, wie oben beschrieben, einen relativen Versatz 85 des blauen 27a zum roten Licht 27b ein.
Ein absoluter Versatz 85a wird durch die beiden gegensätzlich verkippten Farb-Querkorrektur- elemente 67 im Wesentlichen kompensiert. Nach den Farb-Querkorrekturelementen 67 verlaufen die beiden Strahlengänge 23a, 23b durch eine Linse 7d, die zu einer leichten Verkippung der Strahlengänge zueinander führt.
Die Fig. 4 zeigt ferner einen als Scanspiegel 93 ausgestalteten Umlenkspiegel 53, der um eine aus der Zeichenebene heraustretende Scanachse 63 und um eine im Scanspiegel 93 liegende Scanachse 63a verkippbar ist. Mit dem Scanspiegel 93 und dessen Verkippung ist es möglich, die Lage der Fokusbereiche 31 entlang einer aus der Zeichenebene heraustretenden Richtung bzw. in der Zeichenebene liegenden und zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung 75 senkrecht verlaufenden Richtung zu variieren.
In Beleuchtungsrichtung 61, welche durch den Scanspiegel 93 und die nachfolgenden Linsen 7 umgelenkt wird, werden die Strahlengänge 23a, 23b durch besagte Linsen 7 transmittiert und in einem wellenlängenabhängigen Fokusbereich 31 fokussiert. Da die Beleuchtungsoptik 5 lediglich eine Farb-Querkorrektureinrichtung 65 aufweist, wird das blaue Licht 27a in der gleichen Entfernung zur optischen Achse 41 fokussiert wie das rote Licht 27b. Ein vorhandener Längsfarbfehler 37a ist unabhängig von der Korrektur des Querfarbfehlers (nicht gezeigt) und tritt aus diesem Grund weiterhin auf.
Ferner zeigt die Fig. 4, dass die Linsen 7 der Beleuchtungsoptik 5 die Strahlengänge 23a, 23b in nicht-paraxialen Randbereichen 8 durch die entsprechenden Linsen 7 transmittiert. Die Fig. 5A zeigt ein diffraktives optisches Element 95, welches als diffraktive optische Linse 97, insbesondere als durchstimmbare diffraktive Linse 99 ausgestaltet, die zum Beispiel mittels eines räumlichen Lichtmodulators 101 generiert werden kann.
Treffen die beiden Strahlengänge 23a, 23b, die koaxial zueinander verlaufen, auf die durchstimmbare diffraktive Linse 99, so werden die Strahlengänge 23a, 23b entsprechend der Einstellung der durchstimmbaren diffraktiven Linse 99 fokussiert.
Da das diffraktive optische Element 95 auf Beugungseffekten basiert, ist eine Brennweite 103 des blauen Lichts 27a kleiner als eine Brennweite 105 des roten Lichtes 27b. Die Brennweiten 103, 105 werden von einer Hauptebene 107 des diffraktiven optischen Elements 95 bis zu den entsprechenden Fokusbereichen 31a, 31b gemessen. Die Fig. 5B zeigt ein refraktives optisches Element 109, welches als durchstimmbares Linsensystem 111 ausgestaltet ist. Das durchstimmbare Linsensystem 111 umfasst eine Konkavlinse 7c und eine durchstimmbare Konvexlinse 113.
Das durchstimmbare Linsensystem 111 weist in der in Fig. 5B gezeigten Einstellung die Wirkung einer Konkavlinse 7c auf, d.h. die koaxial verlaufenden Strahlengänge 23a und 23b wer- den nicht fokussiert, so dass sich ein blauer virtueller Fokusbereich 115 (der virtuelle Brennpunkt des blauen Lichtes 27a) und ein roter virtueller Fokusbereich 117 (der virtuelle Brennpunkt des roten Lichtes 27b) ergibt.
Das blaue Licht 27a weist die negative Brennweite 105, das rote Licht 27b die negative Brennweite 103 auf, wobei im gezeigten refraktiven optischen Element 109 der Betrag der Brennweite des blauen Lichtes 105 kleiner ist als der Betrag der Brennweite des roten Lichtes 103.
Sowohl das diffraktive optische Element 95 der Fig. 5A als auch das refraktive optische Element 109 der Fig. 5B ändern eine Konvergenz 119 (Fig. 5A) bzw. eine Divergenz 121 (Fig. 5B) der beteiligten Strahlengänge 23a, 23b für beide Strahlengänge 23a, 23b gemeinsam als auch wellenlängenabhängig relativ zueinander. Die Fig. 5C zeigt eine Farb-Längskorrektureinrichtung 123, die die durchstimmbare diffraktive Linse 99 der Fig. 5A und das durchstimmbare Linsensystem 111 der Fig. 5B umfasst.
Die Farb-Längskorrektureinrichtung 123 ist in einer ersten Einstellung 125 gezeigt. In dieser ersten Einstellung 125 wird die Divergenz 121 , welche durch das durchstimmbare Linsensys- tem 111 generiert wird, durch die Konvergenz, welche die durchstimmbare diffraktive Linse 99 generiert, im Wesentlichen kompensiert. Folglich weist die Farb-Längskorrektureinrichtung 123 eine sehr lange Brennweite (diese kann sich im Bereich von mehreren Metern bewegen) auf. Mit anderen Worten behält die Farb-Längskorrektureinrichtung 123 im Wesentlichen die Kolli- mation der transmittierten Strahlengänge 23a, 23b bei. Die Paarung einer positiven Brennweite der durchstimmbare diffraktiven Linse 99 und einer vom Betrag her gleichen, jedoch negativen Brennweite des durchstimmbaren Linsensystems 111 verändert somit nicht die absolute Konvergenz 119 bzw. die absolute Divergenz 121 der Strahlengänge 23a, 23b.
Durch unterschiedliche Paarungen der sich aufhebenden Brennweiten (+50 mm/-50 mm; +100 mm/-100 mm; etc.) kann jedoch ein relativer Konvergenz- bzw. Divergenzunterschied 127 zwischen dem blauen 23a und dem roten Strahlengang 23b eingestellt werden.
In der Fig. 5D ist die Farb-Längskorrektureinrichtung 123 in einer zweiten Einstellung 129 gezeigt. Auch in der zweiten Einstellung 129 wird die absolute Konvergenz 119 bzw. die absolute Divergenz 121 der in die Farb-Längskorrektureinrichtung 123 eintretenden Strahlengänge 23a, 23b nicht verändert und bleibt im Wesentlichen Null.
Allerdings weist die Farb-Längskorrektureinrichtung 123 einen relativen Konvergenz- bzw. Divergenzunterschied 127 auf, der sich vom relativen Konvergenz- bzw. Divergenzunterschied 127 der ersten Einstellung der Fig. 5C unterscheidet.
In der ersten Einstellung (Fig. 5C) verläuft das blaue Licht 27a im Wesentlichen kollimiert, wäh- rend das rote Licht 27b eine Konvergenz 121 aufweist.
In der zweiten Einstellung 129 verläuft das rote Licht 27b im Wesentlichen kollimiert, während das blaue Licht 27a eine Konvergenz 121 aufweist.
Die Fig. 6A und 6B zeigen eine zweite und dritte Ausgestaltung der Farb- Querkorrektureinrichtung 65, wobei in beiden Ausgestaltungen ein Prisma 131 zur Erzeugung der Winkeldispersion 81 verwendet wird. Die Winkeldispersion 81 wird, wie zuvor am Beispiel der planparallelen Platte beschrieben, aufgrund der Materialdispersion 33 des Prismas 131 erzeugt.
Je nach Orientierung des Prismas 131 in Bezug zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung 75 kann eine unterschiedlich große Winkeldispersion 81 erzeugt werden. Analog der in Fig. 3B gezeigten Umlenkung der Strahlengängen 23a, 23b zurück auf die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung 75 mit Hilfe von Umlenkspiegeln 53 können die in den Fig. 6A und 6B mit Winkeldispersion 81 beaufschlagten Strahlengänge 23a und 23b wieder zurück auf die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung umgelenkt werden. Dies ist nicht gezeigt, kann aber unter Zuhilfenahme der Fig. 3B nachvollzogen werden. Dabei werden die Strahlengängen 23a, 23b derart umgelenkt, dass beide Strahlengänge 23a, 23b im Wesentlichen keine Verkippung zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung 75 mehr aufweisen, jedoch weiterhin eine relative Verkippung des blauen Strahlenganges 23a zum roten Strahlengang 23b vorhanden ist.
Ein optischer Nachrüstsatz 150 kann eine der in den Fig. 3A, 3B, 6A und 6B gezeigte Farb- Querkorrektureinrichtung 65 umfassen.
Ebenso kann die in den Fig. 5C und 5D gezeigte Farb-Längskorrektureinrichtung 123 Teil des optischen Nachrüstsatzes 150 sein.
Bezugszeichenliste
1 Mikroskop 47a weitere Ebene
2 Lichtscheibenmikroskop 49 Lichtfleck
5 3 Konfokalmikroskop 51 Umlenkelement
5 Beleuchtungsoptik 53 Umlenkspiegel
7 Linse 50 55 Schale
7a Bikonvexlinse 57 Immersionsflüssigkeit
7b Beobachtungslinse 59 Beobachtungsrichtung
10 7c Konkavlinse 61 Beleuchtungsrichtung
7d Linse 63, 63a Scanachse
8 nicht-paraxialer Randbereich 55 65 Farb-Querkorrektureinrichtung
9 weitere optische Elemente 67 Farb-Querkorrekturelement
11 Lichtquelle 67a erstes Färb- Querkorrekturele¬
15 13 Vergrößerung ment
15 Probenhalterung 67b zweites Färb- Querkorrekturele¬
15a Probe 60 ment
17 Beobachtungsoptik 68 planparallele Platte
17a Mikroskopobjektiv 69 Dicke
20 19 Okular 71 Dicke
21 refraktives optisches Element 73 Uhrzeigersinn
23 Strahlengang 65 75 ursprüngliche Ausbreitungsrich¬
23a kurzwelliger Strahlengang tung
23b langwelliger Strahlengang
75a erste Ausbreitungsrichtung
25 25 Strahlenbündel 75b Zweite Ausbreitungsrichtung
27 Wellenlänge 77a erster Verkippungswinkel
27a erste Wellenlänge 70 77b zweiter Verkippungswinkel
27b zweite Wellenlänge
79 Drehsinn gegen den Uhrzeiger¬
29 Beleuchtungsseite
sinn
30 31 Fokusbereich
81 Winkeldispersion
31a erster Fokusbereich
83 Probenseite
31b zweiter Fokusbereich
75 84 probenseitiger Ausgang
31c Zwischenfokusbereich
85, 85b relativer Versatz
33, 33a, 33b Materialdispersion
85a absoluter Versatz
35 35 Linsenmaterial 87 Umlenkprisma
37 Farbfehler 89 hochdispersives Dünnschichtfilter
37a Längsfarbfehler 80 91 dispersive Struktur
37b Querfarbfehler 93 Scanspiegel
39 lateraler Versatz 95 diffraktives optisches Element
40 41 optische Achse 97 diffraktive optische Linse
41a optische Achse der Beobach99 durchstimmbare diffraktive Linse tungsoptik 85 101 räumlicher Lichtmodulator
43 transversaler Versatz 103 Brennweite blaues Licht
45 Mittenachse 105 Brennweite rotes Licht
45 47 Beobachtungsebene 107 Hauptebene
109 refraktives optisches Element
111 durchstimmbares Linsensystem
113 durchstimmbare Konvexlinse
5 115 blauer virtueller Fokusbereich
117 roter virtueller Fokusbereich
119 Divergenz
121 Konvergenz
123 Farb-Längskorrektureinrichtung
10 125 erste Einstellung
127 relativer Konvergenz- bzw. Divergenzunterschied
129 zweite Einstellung
131 Prisma
15 133 Bewegungsübertragungselement
133a Schrittmotor
135 Synchronisationseinheit
150 optischer Nachrüstsatz
151 Drehwinkel
20 153a erster mittlerer Ablenkwinkel
153b zweiter mittlerer Ablenkwinkel
155 relative Aufspaltung
157 Einschubrichtung
159 Prismenbasis
25 161 Apex

Claims
Ansprüche
Mikroskop (1), insbesondere Lichtscheiben- (2) oder Konfokalmikroskop (3), mit einer Beleuchtungsoptik (5) zur Transmission von Licht mindestens zweier Wellenlängen (27a, 27b) von mindestens einer Lichtquelle (11) entlang jeweils eines wellenlängenabhängigen Strahlengangs (23a, 23b) von einer Beleuchtungsseite (29) der Beleuchtungsoptik (5) zu einer Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop (1) eine Farb-Querkorrektureinrichtung (65) mit wenigstens einem optischen Farb-Querkorrekturelement (67) aufweist, wobei am probenseitigen Ausgang (84) des Farb-Querkorrekturelements (67) die Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen (27a, 27b) einen Versatz (85) parallel zueinander und/oder eine Verkippung zueinander gegenüber der Beleuchtungsseite (29) aufweisen, der auf der Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5) in einem Versatz (43) der Foki (31a, 31b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) quer zu einer optischen Achse (41) der Beleuchtungsoptik (5) resultiert.
Mikroskop (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass, der auf der Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5) durch das Farb-Querkorrekturelement (67) hervorgerufene Versatz (43) der Foki (31a, 31b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) quer zur optischen Achse (41) der Beleuchtungsoptik (5) dem im Wesentlichen durch die Beleuchtungsoptik (5) hervorgerufenen Versatz (43) der Foki (31a, 31 b) zueinander quer zur optischen Achse (41) der Beleuchtungsoptik
(5) entgegengerichtet ist.
Mikroskop (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei optische Farb-Querkorrekturelemente (67) vorgesehen sind, von denen wenigstens ein optisches Farb-Querkorrekturelement (67) relativ kippbar zum anderen Farb- Querkorrekturelement (67) ausgestaltet ist.
Mikroskop (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente (67) als transmittierende, im Wesentlichen planparallele Platte (68) ausgestaltet ist.
Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente (67) als transmittierende, im Wesentlichen planparallele Platten (68) ausgestaltet sind und dass die wenigstens zwei planparallelen transmittierenden Platten (68) eine unterschiedliche Brechzahl und/oder Dicke (69, 71) aufweisen.
6. Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente (67) eine unterschiedliche Materialdispersion (33) aufweisen.
7. Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei optischen Farb-Querkorrekturelemente (67) miteinander bewegungs- übertragend gekoppelt sind.
8. Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Farb-Längskorrektureinrichtung (123) vorgesehen ist, wobei die Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen (27a, 27b) beleuchtungsseitig der Farb-Längskorrektureinrichtung (123) eine Divergenz (119) oder Konvergenz (121) zueinander aufweisen, die sich von der Divergenz (119) oder Konvergenz (121) der Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) zueinander auf der Probenseite (83) der Farb-Längskorrektureinrichtung (123) unterscheiden.
9. Mikroskop (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Farb- Längskorrektureinrichtung (123) mindestens ein refraktives (109) und mindestens ein diffraktives optisches Element (95) aufweist.
10. Mikroskop (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine refraktive optische Element (109) und/oder das mindestens eine diffraktive optische Element (95) eine variabel einstellbare Brennweite (103, 105) aufweisen.
11. Mikroskop (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine diffraktive optische Element (95) als räumlicher Lichtmodulator (101) ausgestaltet ist.
12. Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) in nicht- paraxialen Randbereichen (8) der Beleuchtungsoptik (5) verlaufen und dass auf der Pro- benseite (83) der Beleuchtungsoptik (5) mindestens ein, die Strahlengänge (23a, 23b) um im Wesentlichen 90° umlenkender Umlenkspiegel (53) vorgesehen ist.
13. Optischer Nachrüstsatz (150) für ein Mikroskop (1), insbesondere für ein Lichtscheiben- (2) oder Konfokalmikroskop (3), das eine Beleuchtungsoptik (5) zur Transmission von Licht mindestens zweier Wellenlängen (27a, 27b) von mindestens einer Lichtquelle (11) entlang jeweils eines wellenlängenabhängigen Strahlengangs (23a, 23b) von einer Beleuchtungsseite (29) der Beleuchtungsoptik (5) zu einer Probenseite (83) der Beleuch- tungsoptik (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachrüstsatz (150) eine Farb-Querkorrektureinrichtung (65) mit wenigstens einem optischen Farb- Querkorrekturelement (67) aufweist, wobei am probenseitigen Ausgang (84) des Farb- Querkorrekturelements (67) die Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei unter- schiedlichen Wellenlängen (27a, 27b) einen Versatz (85) parallel zueinander und/oder eine Verkippung zueinander gegenüber der Beleuchtungsseite (29) aufweisen, der auf der Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5) in einem Versatz (43) der Foki (31a, 31b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) quer zu einer optischen Achse (41) der Beleuchtungsoptik (5) resultiert.
14. Optischer Nachrüstsatz (150) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass, der auf der Probenseite (83) der Beleuchtungsoptik (5) durch das Farb-Querkorrekturelement (67) hervorgerufene Versatz (43) der Foki (31a, 31b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) quer zur optischen Achse (41) der Beleuchtungsoptik (5) dem im Wesentlichen durch die Beleuchtungsoptik (5) hervorgerufenen Versatz (43) der Foki (31a, 31 b) zuei- nander quer zur optischen Achse (41 ) der Beleuchtungsoptik (5) entgegengerichtet ist.
15. Optischer Nachrüstsatz (150) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Farb-Längskorrektureinrichtung (123) vorgesehen ist, wobei die Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen (27a, 27b) beleuchtungs- seitig der Farb-Längskorrektureinrichtung (123) eine Divergenz (119) oder Konvergenz (121) zueinander aufweisen, die sich von der Divergenz (119) oder Konvergenz (121) der
Strahlengänge (23a, 23b) der mindestens zwei Wellenlängen (27a, 27b) zueinander auf der Probenseite (83) der Farb-Längskorrektureinrichtung (123) unterscheiden.
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