WO2003075069A1 - Vorrichtung zum ablenken eines lichtstrahles und scanmikroskop - Google Patents

Vorrichtung zum ablenken eines lichtstrahles und scanmikroskop Download PDF

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WO2003075069A1
WO2003075069A1 PCT/EP2003/002124 EP0302124W WO03075069A1 WO 2003075069 A1 WO2003075069 A1 WO 2003075069A1 EP 0302124 W EP0302124 W EP 0302124W WO 03075069 A1 WO03075069 A1 WO 03075069A1
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reflection surface
light beam
axis
scanning microscope
motor drive
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PCT/EP2003/002124
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Inventor
Johann Engelhardt
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Leica Microsystems Heidelberg Gmbh
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/108—Scanning systems having one or more prisms as scanning elements

Definitions

  • the invention relates to a device for deflecting a light beam with a unit rotatable about a first axis, which contains two mutually stationary reflection surfaces - namely a first and a second reflection surface - and which receives a light beam and forwards it to a third reflection surface which extends around a second Axis that is perpendicular to the first axis of rotation.
  • the invention relates to a scanning microscope with a light source which emits a light beam for illuminating a sample and with a device for deflecting the light beam which has a unit which can be rotated about a first axis and which has two mutually stationary reflection surfaces - namely a first and a second reflection surface - Includes, wherein the rotatable unit receives a light beam and transmits it to a third reflection surface which is rotatable about a second axis which is perpendicular to the first axis of rotation.
  • An optical arrangement for scanning a beam in two axes which are essentially perpendicular to one another, in particular for use in confocal laser scanning microscopes, with two mirrors which can be rotated about axes which are perpendicular to one another - x-axis and y-axis - is from the German Patent 196 54 210 C2 known.
  • the optical arrangement is characterized in that one of the two mirrors is assigned a non-rotatable mirror in a predetermined angular position, so that the mutually assigned mirrors - first and second mirrors - rotate together about the y-axis and thereby the beam rotate about a pivot point that lies on the axis of rotation - x-axis - of the third mirror rotating on its own.
  • German patent application 100 33 549.7 discloses an optical arrangement for deflecting a light beam, in particular in two directions lying essentially perpendicular to one another, preferably for use in confocal scanning microscopes, with two by means of a rotary drive in each case about axes lying perpendicular to one another - x-axis and y-axis - Rotatable mirrors, wherein one of the two mirrors is assigned a non-rotatable mirror in a predetermined angular position, so that the mutually assigned mirrors - first and second mirrors - rotate together about the y-axis and thereby rotate the light beam around a pivot point that points to the axis of rotation - x-axis - of the third mirror.
  • the optical arrangement is characterized in that the mirrors are arranged in such a way that the optical axis of the light beam running between the second and the third mirror is always essentially in the x-axis comprehensive, perpendicular to the y-axis plane.
  • the patent application also proposes that the individual components of the arrangement be of modular design and be interchangeable with a view to flexible use.
  • a sample is illuminated with a light beam in order to observe the reflection or fluorescent light emitted by the sample.
  • the focus of an illuminating light beam is moved with the aid of a controllable beam deflection device, generally by tilting two mirrors, in an object plane, the deflection axes usually being perpendicular to one another, so that one mirror deflects in the x direction and the other in the y direction.
  • the mirrors are tilted, for example, with the help of galvanometer actuators.
  • the power of the light coming from the object is measured depending on the position of the scanning beam.
  • the control elements are usually equipped with sensors for determining the current mirror position.
  • a confocal scanning microscope generally comprises a light source, focusing optics with which the light from the source is focused on a pinhole - the so-called excitation diaphragm - a beam splitter, a beam deflector for beam control, microscope optics, a detection diaphragm and the detectors for detecting the detection - or fluorescent light.
  • the illuminating light is coupled in via a beam splitter.
  • the fluorescent or reflection light coming from the object comes back to the beam splitter via the beam deflection device, passes it, in order to then be focused on the detection diaphragm behind which the detectors are located.
  • Detection light that does not originate directly from the focus region takes a different light path and does not pass through the detection aperture, so that point information is obtained which leads to a three-dimensional image by sequential scanning of the object.
  • a three-dimensional image is usually achieved by taking image data in layers, the path of the scanning light beam ideally describing a meander on or in the object. (Scanning a line in the x direction at a constant y position, then stopping x scanning and swiveling to the next line to be scanned by y adjustment and then, with a constant y position, scanning this line in the negative x direction, etc.).
  • the sample table or the objective is moved after scanning a layer and thus the next layer to be scanned is brought into the focal plane of the objective.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a device for deflecting a light beam which enables simple, uncomplicated and rapid replacement of the individual elements deflecting the light beam.
  • a device for deflecting a light beam which is characterized in that the rotatable unit has a further reflection surface which is stationary with respect to the first and the second reflection surface, the first and the further reflection surface being arranged perpendicular to the second reflection surface.
  • a scanning microscope which is characterized in that the rotatable unit has a further reflection surface which is stationary with respect to the first and the second reflection surface, the first and the further reflection surface being arranged perpendicular to the second reflection surface.
  • Another object of the invention is to disclose a method for examining a sample which enables an improved, largely gapless and error-free, high-resolution recording of a wavelength spectrum of the detection light emanating from a sample.
  • the invention has the advantage that simple, uncomplicated and quick replacement of the reflection surfaces and in particular of the motor drives is possible without the need for complex, time-consuming and ultimately expensive readjustment.
  • the device according to the invention has the decisive advantage that the light beam is reflected at a right angle on each reflection surface of the rotatable unit, so that this arrangement is very insensitive to misalignments; because the incident light beam always emerges largely vertically from the rotatable unit according to the cat's eyes (retroreflector effect).
  • the reflection surfaces can be designed as mirror surfaces or as a totally reflecting surface of a glass body.
  • the vitreous body preferably comprises at least one prism.
  • the rotatable unit consists of two prisms, which are preferably cemented together. It is also possible to produce the entire rotatable unit monolithically from one body.
  • the rotatable unit preferably has entry and exit windows, which are preferably arranged in order to avoid disturbing interferences such that the angle of incidence of the light beam onto the entry window differs from the angle of exit from the exit window.
  • entry and exit windows are preferably arranged in order to avoid disturbing interferences such that the angle of incidence of the light beam onto the entry window differs from the angle of exit from the exit window.
  • the rotatable unit can be rotated together with the third reflection surface about the first axis, as a result of which image rotation is possible in imaging scanning systems, such as scanning microscopes.
  • Both the rotatable unit and the third reflection surface are preferably driven by a motor. All common motors, such as stepper motors, can be used as drives.
  • the drive includes a galvanometer.
  • the third reflection plane is preferably designed as an oscillating mirror driven by a resonant galvanometer.
  • the scanning microscope has a third reflection surface designed as a mirror, which is driven by a non-resonant galvanometer. Furthermore, a fourth reflection surface with the same optical properties is provided, which is driven by a fast, resonant galvanometer.
  • the third reflection surface together with its drive can be exchanged for the fourth reflection surface.
  • guide rails are provided on which the reflection surfaces can be moved. Furthermore, stop elements are provided which define the working position of the selected reflection surface and its drive.
  • Fig. 2 shows a device for deflecting a light beam
  • Fig. 3 shows another device for deflecting a
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a device for
  • Fig. 5 shows a device for deflecting a light beam in a perspective view
  • Fig. 6 shows another device for deflecting a
  • a scanning microscope 1 which is designed as a confocal scanning microscope, with a light source 3, which emits a light beam 5 for illuminating a sample 7.
  • the light beam 5 is focused on an illumination pinhole 9 and is then reflected by a dichroic beam splitter 11 and a subsequent deflecting mirror 13 to the device 15 for deflecting the light beam 5, which deflects the light beam 5 via the scanning optics 17, the tube optics 19 and through the microscope optics 21 leads over or through the sample 7.
  • the detection light beam 23 emanating from the sample 7 passes through the microscope optics 21 and via the tube optics 19 and the scanning optics 17, and via the device 15 dichroic beam splitter 11, passes through this and the following detection pinhole 25 and finally reaches the detector 53, which is designed as a photomultiplier is.
  • the detector 53 are electrical, for Power of the detection light beam 23 emanating from the object generates proportional detection signals.
  • the sample is scanned in layers in order to generate a three-dimensional image of the sample 7 from the detection signals.
  • the device 15 for deflecting the light beam 5 contains a unit 29 which can be rotated about a first axis 27 and which contains two mutually stationary reflection surfaces 31, 33 - namely a first reflection surface 31 and a second reflection surface 33 - and which receives the light beam 5 and sends it to one passes on third reflection surface 35, which is rotatable about a second axis 37 (in the figure perpendicular to the paper plane), which runs perpendicular to the first axis of rotation 27.
  • the rotatable unit 29 has a further reflection surface 39 which is stationary with respect to the first reflection surface 31 and the second reflection surface 33 and which receives the light beam from the first reflection surface 31 and reflects it to the second reflection surface 33.
  • the rotatable unit 29 is driven by a galvanometer 41.
  • the third reflection surface 35 is evaporated onto a third mirror substrate 43; the substrate is driven by a non-resonant galvanometer, not shown in the figure, and is designed together with the non-resonant galvanometer as an exchangeable module.
  • the first reflection surface 31 is vapor-deposited on a first mirror substrate 45, the second reflection surface 33 on a second mirror substrate 47 and the further reflection surface 39 on a further mirror substrate 49.
  • the rotatable unit 29 has a housing 51 which surrounds the reflection surfaces and protects them from contamination.
  • the device 15 includes a unit 29 which can be rotated about a first axis 27 and which contains two mutually stationary reflection surfaces 31, 33 - namely a first reflection surface 31 and a second reflection surface 33 - and the receives the light beam 5 and forwards it to a third reflection surface 35, which about a second axis 37 (in the figure perpendicular to the plane of the paper) runs perpendicular to the first axis of rotation 27, is rotatable.
  • the rotatable unit 29 has a further reflection surface 39 which is stationary with respect to the first reflection surface 31 and the second reflection surface 33 and which receives the light beam from the first reflection surface 31 and reflects it to the second reflection surface 33.
  • the light beam 5 is deflected perpendicular to the plane of the paper.
  • the rotation of the third reflection surface 35 about the second axis 37 causes a deflection of the light beam 5 perpendicular to the plane of the drawing.
  • the arrangement shown is extremely insensitive to misalignments in accordance with the cat's eye effect.
  • FIG. 3 shows a further device for deflecting a light beam in which the rotatable unit 29 is formed from a first prism 55 and a second prism 57.
  • the prisms 55, 57 are cemented together.
  • the hypotenuse surface of the first prism 55 forms the first reflection surface 31.
  • the catheter surfaces of the second prism form the second and the further reflection surface.
  • the third reflection surface 29 is evaporated on a mirror substrate 43.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a device for deflecting a light beam, which essentially corresponds to the arrangement shown in FIG. 2.
  • a deflection mirror 13 is provided, which reflects the light beam 5 onto the first axis of rotation 27.
  • the rotatable unit 29 is driven by a stepper motor 63.
  • the device includes one about a first axis
  • the rotatable unit 29 has a further reflection surface 39 which is stationary with respect to the first reflection surface 31 and the second reflection surface 33 and which receives the light beam from the first reflection surface 31 and reflects it to the second reflection surface 33.
  • the rotatable unit 29 is driven by a galvanometer 41 via a drive shaft 69.
  • the third reflection surface 35 is evaporated onto a third mirror substrate 43; the substrate is driven by a resonant galvanometer 65, not shown in the figure, via a further drive shaft 67.
  • the first reflection surface 31 is vapor-deposited on a first mirror substrate 45, the second reflection surface 33 on a second mirror substrate 47 and the further reflection surface 39 on a further mirror substrate 49.
  • the rotatable unit 29 has a housing 51 which surrounds the reflection surfaces and protects them from contamination.
  • a deflection mirror 13 is provided, which reflects the light beam 5 onto the first axis of rotation 27.
  • the third reflection surface 35, the mirror substrate 43 and the resonant galvanometer 65 are combined to form a module 71, which is compared to a further module 73, which has a fourth reflection surface 75 on a mirror substrate 77, which has the same optical properties as the third reflection surface 35, and includes a non-resonant galvanometer 79 as a drive.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a device for deflecting a light beam, which essentially corresponds to the arrangement shown in FIG. 5.
  • a guide rail 81 is provided in this embodiment, which enables the modules 71, 73 to be replaced simply and precisely.
  • stop elements 83, 85 are provided which precisely define the respective working position of the modules 71, 73 in such a way that the desired reflection surface can be positioned exactly at the intersection of the axis 27 and the second axis 37.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles mit einer um eine erste Achse (27) drehbaren Einheit (29), die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen (31, 33) - nämlich eine erste (31) und eine zweite Reflexionsfläche (33) - beinhaltet, und die einen Lichtstrahl empfängt und an eine dritte Reflexionsfläche (35) weiterleitet, die um eine zweite Achse (37), die senkrecht zur ersten Drehachse verläuft, drehbar ist, ist offenbart. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit (29) eine zu der ersten (31) und zu der zweiten Reflexionsfläche (33) ortsfeste weitere Reflexionsfläche (39) aufweist, wobei die erste (31) und die weitere Reflexionsfläche (39) senkrecht zu der zweiten Reflexionsfläche (33) angeordnet sind. Weiterhin ist ein Scanmikroskop (1) offenbart.

Description

Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles und Scanmikroskop
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles mit einer um eine erste Achse drehbaren Einheit, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen -nämlich eine erste und eine zweite Reflexionsflache - beinhaltet, und die einen Lichtstrahl empfängt und an eine dritte Reflexionsflache weiterleitet, die um eine zweite Achse, die senkrecht zur ersten Drehachse verläuft.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Scanmikroskop mit einer Lichtquelle, die einem Lichtstrahl zur Beleuchtung einer Probe emittiert und mit einer Vorrichtung zum Ablenken des Lichtstrahles, die eine um eine erste Achse drehbare Einheit aufweist, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen - nämlich eine erste und eine zweite Reflexionsflache - beinhaltet, wobei die drehbare Einheit einen Lichtstrahl empfängt und an eine dritte Reflexionsflache weiterleitet, die um eine zweite Achse, die senkrecht zur ersten Drehachse verläuft, drehbar ist.
Eine Optische Anordnung zum Scannen eines Strahls in zwei im wesentlichen senkrecht zueinander liegenden Achsen, insbesondere zur Anwendung bei konfokalen Laserscanmikroskopen, mit zwei mittels jeweils eines Antriebs um senkrecht zueinander liegende Achsen - x-Achse und y-Achse - drehbaren Spiegeln, ist aus der Deutschen Patentschrift 196 54 210 C2 bekannt. Die Optische Anordnung ist zur Vermeidung gravierender Abbildungsfehler dadurch gekennzeichnet, daß einem der beiden Spiegel ein weiterer Spiegel in einer vorgegebenen Winkelposition drehfest zugeordnet ist, so dass die einander zugeordneten Spiegel - erster und zweiter Spiegel - gemeinsam um die y-Achse drehen und dabei den Strahl um einen Drehpunkt drehen, der auf der Drehachse - x-Achse - des alleine drehenden dritten Spiegels liegt. Die Deutsche Patentanmeldung 100 33 549.7 offenbart eine Optische Anordnung zum Ablenken eines Lichtstrahls insbesondere in zwei im wesentlichen senkrecht zueinander liegenden Richtungen, vorzugsweise zur Anwendung bei konfokalen Rastermikroskopen, mit zwei mittels jeweils eines Drehantriebs um senkrecht zueinander liegende Achsen - x-Achse und y- Achse - drehbaren Spiegeln, wobei einem der beiden Spiegel ein weiterer Spiegel in einer vorgegebenen Winkelposition drehfest zugeordnet ist, so dass die einander zugeordneten Spiegel - erster und zweiter Spiegel - gemeinsam um die y-Achse drehen und dabei den Lichtstrahl um einen Drehpunkt drehen, der auf der Drehachse - x-Achse - des dritten Spiegels liegt. Zur Minimierung und im Idealfall zur Eliminierung der durch die Anordnung erzeugten Verzeichnungsfehler ist die optische Anordnung dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel derart angeordnet sind, dass die optische Achse des zwischen dem zweiten und dem dritten Spiegel verlaufenden Lichtstrahls stets im wesentlichen in einer die x-Achse umfassenden, senkrecht zur y-Achse stehenden Ebene liegt. In der Patentanmeldung ist weiterhin vorgeschlagen, dass im Hinblick auf einen flexiblen Einsatz die einzelnen Bauteile der Anordnung modular ausgeführt sind und austauschbar sind.
In der Scanmikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl beleuchtet, um das von der Probe emittierte Reflexions- oder Fluoreszenzlicht zu beobachten. Der Fokus eines Beleuchtungslichtstrahles wird mit Hilfe einer steuerbaren Strahlablenkeinrichtung, im Allgemeinen durch Verkippen zweier Spiegel, in einer Objektebene bewegt, wobei die Ablenkachsen meist senkrecht aufeinander stehen, so dass ein Spiegel in x-, der andere in y-Richtung ablenkt. Die Verkippung der Spiegel wird beispielsweise mit Hilfe von Galvanometer-Stellelementen bewerkstelligt. Die Leistung des vom Objekt kommenden Lichtes wird in Abhängigkeit von der Position des Abtaststrahles gemessen. Üblicherweise werden die Stellelemente mit Sensoren zur Ermittlung der aktuellen Spiegelstellung ausgerüstet. Speziell in der konfokalen Scanmikroskopie wird ein Objekt mit dem Fokus eines Lichtstrahles in drei Dimensionen abgetastet. Ein konfokales Rastermikroskop umfasst im Allgemeinen eine Lichtquelle, eine Fokussieroptik, mit der das Licht der Quelle auf eine Lochblende - die sog. Anregungsblende - fokussiert wird, einen Strahlteiler, eine Strahlablenkeinrichtung zur Strahlsteuerung, eine Mikroskopoptik, eine Detektionsblende und die Detektoren zum Nachweis des Detektions- bzw. Fluoreszenzlichtes. Das Beleuchtungslicht wird über einen Strahlteiler eingekoppelt. Das vom Objekt kommende Fluoreszenz- oder Reflexionslicht gelangt über die Strahlablenkeinrichtung zurück zum Strahlteiler, passiert diesen, um anschließend auf die Detektionsblende fokussiert zu werden, hinter der sich die Detektoren befinden. Detektionslicht, das nicht direkt aus der Fokusregion stammt, nimmt einen anderen Lichtweg und passiert die Detektionsblende nicht, so dass man eine Punktinformation erhält, die durch sequentielles Abtasten des Objekts zu einem dreidimensionalen Bild führt. Meist wird ein dreidimensionales Bild durch schichtweise Bilddatennahme erzielt, wobei die Bahn des Abtastlichtstrahles auf bzw. in dem Objekt idealer Weise einen Mäander beschreibt. (Abtasten einer Zeile in x-Richtung bei konstanter y-Position, anschließend x-Abtastung anhalten und per y- Verstellung auf die nächste abzutastende Zeile schwenken und dann, bei konstanter y-Position, diese Zeile in negative x-Richtung abtasten u.s.w.). Um eine schichtweise Bilddatennahme zu ermöglichen, wird der Probentisch oder das Objektiv nach dem Abtasten einer Schicht verschoben und so die nächste abzutastende Schicht in die Fokusebene des Objektivs gebracht.
Die in den genannten Schriften offenbarten Vorrichtungen haben den Nachteil, dass die Austauschbarkeit der Spiegel bzw. ihrer motorischen Antriebe durch die hohen Anforderungen an die Justiergenauigkeit in besonderem Maße eingeschränkt ist. Ein aufwendiges Nachjustieren der optischen Komponenten ist meist nicht zu vermeiden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahles anzugeben, die ein einfaches, unkompliziertes und schnelles Austauschen der den Lichtstrahl ablenkenden Einzelelemente ermöglicht. Obige Aufgabe wird durch ein Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die drehbare Einheit eine zu der ersten und zu der zweiten Reflexionsflache ortsfeste weitere Reflexionsflache aufweist, wobei die erste und die weitere Reflexionsflache senkrecht zu der zweiten Reflexionsflache angeordnet sind.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Scanmikroskop anzugeben, das ein einfaches, unkompliziertes und schnelles Austauschen der den Lichtstrahl ablenkenden Einzelelemente ermöglicht und so insbesondere eine einfache und unkomplizierte Umschaltung zwischen einem resonanten und einem nicht resonanten Antrieb erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Scanmikroskop gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die drehbare Einheit eine zu der ersten und zu der zweiten Reflexionsflache ortsfeste weitere Reflexionsflache aufweist, wobei die erste und die weitere Reflexionsflache senkrecht zu der zweiten Reflexionsflache angeordnet sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Untersuchung einer Probe zu offenbaren, das eine verbesserte, weitgehend lückenlose und fehlerfreie, hochauflösende Aufnahme eines Wellenlängenspektrums des von einer Probe ausgehenden Detektionslichtes ermöglicht. Die Erfindung hat den Vorteil, dass einfaches, unkompliziertes und schnelles Austauschen der Reflexionsflächen und insbesondere der motorischen Antriebe ermöglicht ist, ohne dass ein aufwendiges, zeitraubendes und letztlich teures Nachjustieren erforderlich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den entscheidenden Vorteil, dass der Lichtstrahl an jeder Reflexionsflache der drehbaren Einheit rechtwinklig reflektiert wird, so dass diese Anordnung sehr unempfindlich gegen Dejustierungen ist; denn der einfallende Lichtstrahl tritt gemäß dem Katzenaugen (Retroreflektoreffekt) immer weitgehend senkrecht aus der drehbaren Einheit aus. Die Reflexionsflächen können als Spiegelflächen oder als totalreflektierende Fläche eines Glaskörpers ausgeführt sein. Der Glaskörper umfasst vorzugsweise mindestens ein Prisma. In einer bevorzugen Ausgestaltung besteht die drehbare Einheit aus zwei Prismen, die vorzugsweise miteinander verkittet sind. Es ist auch möglich die gesamte drehbare Einheit monolithisch aus einem Körper herzustellen. Die drehbare Einheit weist vorzugsweise Ein- und Austrittsfenster auf, wobei diese zur Vermeidung von störenden Interferenzen vorzugsweise so angeordnet sind, dass sich der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Eintrittsfenster von dem Ausfallswinkel aus dem Austrittsfenster unterscheidet. Im Falle rechtwinkliger Ablenkung des Lichtstrahles durch die drehbare Einheit ist es von Vorteil, wenn das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster in einem leicht von 90 Grad abweichenden Winkel zueinander stehen.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die drehbare Einheit gemeinsam mit der dritten Reflexionsflache um die erste Achse drehbar, wodurch bei bildgebenden scannenden Systemen, wie Scanmikroskopen, eine Bildrotation möglich ist.
Sowohl die drehbare Einheit, als auch die dritte Reflexionsflache ist vorzugsweise motorisch angetrieben ist. Als Antrieb sind alle gängigen Motore, wie beispielsweise Schrittmotore, verwendbar. In einer bevorzugen Ausgestaltung beinhaltet der Antrieb ein Galvanometer. Insbesondere die dritte Reflexionsebne ist vorzugsweise als ein von einem resonanten Galvanometer angetriebener Schwingspiegel ausgestaltet.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Scanmikroskop eine als Spiegel ausgestaltete dritte Reflexionsflache auf, die von einem nicht resonanten Galvanometer angetrieben ist. Weiterhin ist eine vierte Reflexionsflache mit den gleichen optischen Eigenschaften vorgesehen, die von einem schnellen, resonanten Galvanometer angetrieben ist. In dieser Ausgestaltung ist die dritte Reflexionsflache samt ihrem Antrieb gegen die vierte Reflexionsflache austauschbar. Hierfür sind Führungsschienen vorgesehen an denen entlang die Reflexionsflächen verfahrbar sind. Weiterhin sind Anschlagelemente vorgesehen, die die Arbeitsposition der jeweils ausgewählten Reflexionsflache und ihres Antriebs definieren. Das Scanmikroskop bietet so alle Vorteile einer nicht resonanten Ablenkung, wie z. B. die Möglichkeit den Lichtstrahl auf einem auswählbaren Punkt der Probe zu positionieren und dort zu „parken", sowie alle Vorteile einer resonanten Ablenkung, die sich insbesondere durch Schnelligkeit und hohe Bildraten auszeichnen. In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig. 1 Ein erfindungsgemäßes Scanmikroskop,
Fig. 2 eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles, Fig. 3 eine weitere Vorrichtung zum Ablenken eines
Lichtstrahles,
Fig. 4 eine weitere Ausgestaltungsform einer Vorrichtung zum
Ablenken eines Lichtstrahles,
Fig. 5 eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles in perspektivischer Ansicht und
Fig. 6 eine weitere Vorrichtung zum Ablenken eines
Lichtstrahles in perspektivischer Ansicht,
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Scanmikroskop 1 , das als konfokales Scanmikroskop ausgeführt ist, mit einer Lichtquelle 3, die einen Lichtstrahl 5 zur Beleuchtung einer Probe 7 emittiert. Der Lichtstrahl 5 wird auf ein Beleuchtungspinhole 9 fokussiert und wird anschließend von einem dichroitischen Strahlteiler 11 und einem nachfolgenden Umlenkspiegel 13 zur Vorrichtung 15 zum Ablenken des Lichtstrahles 5 reflektiert, die den Lichtstrahl 5 über die Scanoptik 17, die Tubusoptik 19 und durch die Mikroskopoptik 21 hindurch über bzw. durch die Probe 7 führt. Der von der Probe 7 ausgehende Detektionslichtstrahl 23 gelangt durch die Mikroskopoptik 21 hindurch und über die Tubusoptik 19 und die Scanoptik 17, und über Vorrichtung 15 dichroitischen Strahlteiler 11 , passiert diesen und das folgende Detektionspinhole 25 und gelangt schließlich zum Detektor 53, der als Photomultiplier ausgeführt ist. Im Detektor 53 werden elektrische, zur Leistung des vom Objekt ausgehenden Detektionslichtstrahls 23 proportionale Detektionssignale erzeugt. Die Probe wird schichtweise abgetastet, um aus den Detektionssignalen ein dreidimensionales Bild der Probe 7 zu erzeugen.
Die Vorrichtung 15 zum Ablenken des Lichtstrahles 5 beinhaltet eine um eine erste Achse 27 drehbaren Einheit 29, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen 31 , 33 -nämlich eine erste Reflexionsflache 31 und eine zweite Reflexionsflache 33 - beinhaltet, und die den Lichtstrahl 5 empfängt und an eine dritte Reflexionsflache 35 weiterleitet, die um eine zweite Achse 37 (in der Figur senkrecht zur Papierebene), die senkrecht zur ersten Drehachse 27 verläuft, drehbar ist. Die drehbare Einheit 29 weist eine zu der ersten Reflexionsflache 31 und zu der zweiten Reflexionsflache 33 ortsfeste weitere Reflexionsflache 39 auf, die den Lichtstrahl von der ersten Reflexionsflache 31 empfängt und zur zweiten Reflexionsflache 33 reflektiert. Die drehbaren Einheit 29 ist von einem Galvanometer 41 angetrieben. Die dritte Reflexionsflache 35 ist auf ein drittes Spiegelsubstrat 43 aufgedampft; das Substrat ist von einem in der Figur nicht gezeigten nicht resonanten Galvanometer angetrieben und zusammen mit dem nicht resonanten Galvanometer als austauschbares Modul ausgeführt. Die ersten Reflexionsflache 31 ist auf einem ersten Spiegelsubstrat 45, die zweite Reflexionsflache 33 auf einem zweiten Spiegelsubstrat 47 und die weitere Reflexionsflache 39 auf einem weiteren Spiegelsubstrat 49 aufgedampft. Die drehbare Einheit 29 weist ein Gehäuse 51 auf, das die Reflexionsflächen umschließt und vor Verschmutzung schützt.
Weggelassen sind in der Figur wegen der besseren Anschaulichkeit einige optische Elemente zur Führung und Formung der Lichtstrahlen. Diese sind einem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann hinlänglich bekannt.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles 5. Die Vorrichtung 15 beinhaltet eine um eine erste Achse 27 drehbaren Einheit 29, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen 31, 33 -nämlich eine erste Reflexionsflache 31 und eine zweite Reflexionsflache 33 - beinhaltet, und die den Lichtstrahl 5 empfängt und an eine dritte Reflexionsflache 35 weiterleitet, die um eine zweite Achse 37 (in der Figur senkrecht zur Papierebene), die senkrecht zur ersten Drehachse 27 verläuft, drehbar ist. Die drehbare Einheit 29 weist eine zu der ersten Reflexionsflache 31 und zu der zweiten Reflexionsflache 33 ortsfeste weitere Reflexionsflache 39 auf, die den Lichtstrahl von der ersten Reflexionsflache 31 empfängt und zur zweiten Reflexionsflache 33 reflektiert. Durch drehen der drehbaren Einheit 35 um die Achse 27 wird der Lichtstrahl 5 senkrecht zur Papierebene abgelenkt. Das Drehen der dritten Reflexionsflache 35 um die zweite Achse 37 bewirkt eine Ablenkung des Lichtstrahles 5 senkrecht zur Zeichenebene. Die gezeigte Anordnung ist entsprechend dem Katzenaugeneffekt extrem unempfindlich gegen Dejustierungen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles bei der die drehbare Einheit 29 aus einem ersten Prisma 55 und einem zweiten Prisma 57 gebildet ist. Die Prismen 55, 57 sind miteinander verkittet. Die Hypotenusenfläche des ersten Prismas 55 bildet die erste Reflexionsflache 31. Die Kathetenflächen des zweiten Prismas bilden die zweite und die weitere Reflexionsflache. Die dritte Reflexionsflache 29 ist auf einem Spiegelsubstrat 43 aufgedampft. Durch drehen der drehbaren Einheit 35 um die Achse 27 wird der Lichtstrahl 5 senkrecht zur Papierebene abgelenkt. Das Drehen der dritten Reflexionsflache 35 um die Achse 37 bewirkt eine Ablenkung des Lichtstrahles 5 senkrecht zur Zeichenebene. Die Anordnung ist kostengünstig und besonders präzise herstellbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Eintrittsfenster 59 nicht genau senkrecht zum Austrittsfenster 61 der drehbaren Einheit steht, wodurch störende Interferenzen vermieden sind.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles, die im Wesentlichen der in Fig. 2 gezeigten Anordnung entspricht. Zusätzlich ist ein Umlenkspiegel 13 vorgesehen, der den Lichtstrahl 5 auf die erste Drehachse 27 reflektiert. Die drehbare Einheit 29 ist von einem Schrittmotor 63 angetrieben.
Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles in perspektivischer Ansicht. Die Vorrichtung beinhaltet eine um eine erste Achse
27 drehbaren Einheit 29, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen 31,
33 -nämlich eine erste Reflexionsflache 31 und eine zweite Reflexionsflache 33 - beinhaltet, und die den Lichtstrahl 5 empfängt und an eine dritte Reflexionsflache 35 weiterleitet, die um eine zweite Achse 37, die senkrecht zur ersten Drehachse 27 verläuft, drehbar ist. Die drehbare Einheit 29 weist eine zu der ersten Reflexionsflache 31 und zu der zweiten Reflexionsflache 33 ortsfeste weitere Reflexionsflache 39 auf, die den Lichtstrahl von der ersten Reflexionsflache 31 empfängt und zur zweiten Reflexionsflache 33 reflektiert. Die drehbaren Einheit 29 ist von einem Galvanometer 41 über eine Antriebswelle 69 angetrieben. Die dritte Reflexionsflache 35 ist auf ein drittes Spiegelsubstrat 43 aufgedampft; das Substrat ist von einem in der Figur nicht gezeigten resonanten Galvanometer 65 über eine weitere Antriebswelle 67 angetrieben. Die erste Reflexionsflache 31 ist auf einem ersten Spiegelsubstrat 45, die zweite Reflexionsflache 33 auf einem zweiten Spiegelsubstrat 47 und die weitere Reflexionsflache 39 auf einem weiteren Spiegelsubstrat 49 aufgedampft. Die drehbare Einheit 29 weist ein Gehäuse 51 auf, das die Reflexionsflächen umschließt und vor Verschmutzung schützt. Zusätzlich ist ein Umlenkspiegel 13 vorgesehen, der den Lichtstrahl 5 auf die erste Drehachse 27 reflektiert. Die dritte Reflexionsflache 35, das Spiegelsubstrat 43 und das resonanten Galvanometer 65 sind zu einem Modul 71 zusammengefasst, das gegen ein weiteres Modul 73, das eine vierte Reflexionsflache 75 auf einem Spiegelsubstrat 77 , die dieselben optischen Eigenschaften hat, wie die dritte Reflexionsflache 35, und einen nicht resonantes Galvanometer 79 als Antrieb beinhaltet.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles, die im Wesentlichen der in Fig. 5 gezeigten Anordnung entspricht. Zusätzlich ist in dieser Ausführungsform eine Führungsschiene 81 vorgesehen, die das einfache und präzise Auswechseln der Module 71 , 73 ermöglicht. Weiterhin sind Anschlagelemente 83, 85 vorgesehen, die die jeweilige Arbeitsposition der Module 71 , 73 präzise derart definieren, dass die jeweils gewünschte Reflexionsflache exakt am Schnittpunkt der Achse 27 und die zweite Achse 37 positionierbar ist.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste:
1 Scanmikroskop
3 Lichtquelle
5 Lichtstrahl
7 Probe
9 Beleuchtungspinhole
11 dichroitischer Strahlteiler
13 Umlenkspiegel
15 Vorrichtung zum Ablenken
17 Scanoptik
19 Tubusoptik
21 Mikroskopoptik
23 Detektionslichtstrahl
25 Detektionspinhole
27 erste Achse
29 drehbare Einheit
31 erste Reflexionsflache
33 zweite Reflexionsflache 5 dritte Reflexionsflache
37 zweite Achse
39 weitere Reflexionsflache 1 Galvanometer 3 drittes Spiegelsubstrat 5 erstes Spiegelsubstrat zweites Spiegelsubstrat weiteres Spiegelsubstrat
Gehäuse
Detektor erstes Prisma zweites Prisma
Eintrittsfenster
Schrittmotor resonantes Galvanometer weitere Antriebswelle
Antriebswelle
Modul
Modul vierte Reflexionsflache
Spiegelsubstrat nicht resonantes Galvanometer
Führungsschiene
Anschlagelement
Anschlagelement

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahles mit einer um eine erste Achse drehbaren Einheit, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen - nämlich eine erste und eine zweite Reflexionsflache - beinhaltet, und die einen Lichtstrahl empfängt und an eine dritte Reflexionsflache weiterleitet, die um eine zweite Achse, die senkrecht zur ersten Drehachse verläuft, drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit eine zu der ersten und zu der zweiten Reflexionsflache ortsfeste weitere Reflexionsflache aufweist, wobei die erste und die weitere Reflexionsflache senkrecht zu der zweiten Reflexionsflache angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reflexionsflache eine Spiegelfläche ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reflexionsflache die totalreflektierende Fläche eines Glaskörpers ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper ein Prisma umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit aus zwei Prismen besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen Ein- und Austrittsfenster aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Eintrittsfenster von dem Ausfallswinkel aus dem Austrittsfenster unterscheidet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit gemeinsam mit der dritten Reflexionsflache um die erste Achse drehbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit einen motorischen Antrieb aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Reflexionsflache von einem motorischen Antrieb angetrieben ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der motorische Antrieb der dritten Reflexionsflache austauschbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Reflexionsflache gemeinsam mit dem motorischen Antrieb gegen eine vierte Reflexionsflache mit einem weiteren motorischen Antrieb austauschbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der motorische Antrieb ein Galvanometer beinhaltet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Galvanometer ein resonantes Galvanometer ist.
15. Scanmikroskop mit einer Lichtquelle, die einem Lichtstrahl zur Beleuchtung einer Probe emittiert, und mit einer Vorrichtung zum Ablenken des Lichtstrahles, die eine um eine erste Achse drehbare Einheit aufweist, die zwei zueinander ortsfeste Reflexionsflächen -nämlich eine erste und eine zweite Reflexionsflache - beinhaltet, wobei die drehbare Einheit einen Lichtstrahl empfängt und an eine dritte Reflexionsflache weiterleitet, die um eine zweite Achse, die senkrecht zur ersten Drehachse verläuft, drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit eine zu der ersten und zu der zweiten Reflexionsflache ortsfeste weitere Reflexionsflache aufweist, wobei die erste und die weitere Reflexionsflache senkrecht zu der zweiten Reflexionsflache angeordnet sind.
16. Scanmikroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reflexionsflache eine Spiegelfläche ist.
17. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Reflexionsflache die totalreflektierende Fläche eines Glaskörpers ist.
18. Scanmikroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaskörper ein Prisma umfasst.
19. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit aus zwei Prismen besteht.
20. Scanmikroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismen Ein- und Austrittsfenster aufweisen.
21. Scanmikroskop nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Eintrittsfenster von dem Ausfallswinkel aus dem Austrittsfenster unterscheidet.
22. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit zur Bildrotation gemeinsam mit der dritten Reflexionsflache um die erste Achse drehbar ist.
23. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Einheit einen motorischen Antrieb aufweist.
24. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Reflexionsflache von einem motorischen Antrieb angetrieben ist.
25. Scanmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der motorische Antrieb der dritten Reflexionsflache austauschbar ist.
26. Scanmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Reflexionsflache gemeinsam mit dem motorischen Antrieb gegen eine vierte Reflexionsflache mit einem weiteren motorischen Antrieb austauschbar ist.
27. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der motorische Antrieb ein Galvanometer beinhaltet.
28. Scanmikroskop nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Galvanometer ein resonantes Galvanometer ist.
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