WO2012072290A1 - Vorrichtung zur erhöhung der tiefendiskriminierung optisch abbildender systeme - Google Patents

Vorrichtung zur erhöhung der tiefendiskriminierung optisch abbildender systeme Download PDF

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WO2012072290A1
WO2012072290A1 PCT/EP2011/065808 EP2011065808W WO2012072290A1 WO 2012072290 A1 WO2012072290 A1 WO 2012072290A1 EP 2011065808 W EP2011065808 W EP 2011065808W WO 2012072290 A1 WO2012072290 A1 WO 2012072290A1
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WO
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beam path
grid
grating
lattice
imaging system
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PCT/EP2011/065808
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Inventor
Joerg Schaffer
Tim Plohnke
Original Assignee
Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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Publication date
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    • G02B21/0076—Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence

Definitions

  • the invention relates to a device for increasing the depth discrimination of optically imaging systems.
  • a device comprises, inter alia, means for structuring illumination light in an illumination beam path of the optically imaging system with a grid-like structure which is introduced into a conjugate object plane of the optically imaging system.
  • the lattice-like structure can be, for example, a lattice structure in the form of a one-dimensional transmission grating, that is to say essentially an arrangement of strips with a predetermined thickness and with a predetermined spacing from one another, for example on a transparent substrate.
  • Two-dimensional lattice-like structures can also be used.
  • the two-dimensional grid-like structures also include, for example, checkerboard-like structures.
  • phase gratings can also be used instead of transmission gratings.
  • the lattice-like structure is imaged via the beam path of the device and the optical imaging system onto a sample, ie an object which is to be examined with the optical imaging system.
  • the beam path is designed so that the grid-like structure is imaged from a conjugate object plane in the object plane of the optical system.
  • a spatially particularly along the optical axis - which is also referred to as the z-axis - and thus perpendicular to the observation plane extended sample then makes the structured illumination as a pattern of dark stripes in the region of the sample in the object plane or the Sample focus plane, ie the plane in which the three-dimensionally extended sample is sharply imaged.
  • the structured illumination becomes less noticeable with increasing distance from the focal plane, which is why a more precise analysis of the specimen with regard to the expansion in the z-direction is possible.
  • State of the art State of the art
  • Such a device also comprises means for laterally varying the position of the image of the lattice-like structure on the sample in the object plane.
  • the spatial phase of the grid-like structure can be varied, usually by means of control electronics.
  • the device also has means for varying the position of the grid-like structure along the optical axis of the illumination beam path. In this way, the chromatic Lijnsabberation the optical imaging system can be corrected, which causes the planes of sharpness for different wavelengths on the optical axis are at different locations.
  • a variation is advantageous, for example, when the sample is to be excited to fluoresce with light of different wavelengths.
  • DE 102 50 568 A1 provides a plane-parallel glass plate which can be tilted in a defined manner, so that the image of the knitted grid structure on the sample in the sample Focus plane shifts. This can be done for example with a galvanic scanner, which is controlled by a spreader electronics, which controls both the device for increasing the depth discrimination and the optical imaging system.
  • a motor-driven eccentric movement is proposed in EP 1 307 774 B1.
  • Such devices are realized, for example, in the product "ApoTome” from Carl Zeiss Microlmaging GmbH, which is offered as an additional slide-in module for a number of in-house microscopes.
  • the use of different lenses - which in microscopes with objective revolvers, which can accommodate, for example, three different lenses, usually without problems is possible - and that a user different knit grid structures must be made available.
  • a set of existing grid-like structures will provide a structure most suitable for the underlying application of the optical editing feature. Ideally, this structure provides a depth of cut that is approximately the size of the depth-of-field.
  • the control electronics In the case of a lens change, the control electronics generally suggest the grid-like structure to the user on the basis of a calculation based on the lens data, in particular the magnification and the numerical aperture, or by searching in a Z.oo / (-t / p-table
  • the lattice-type structure is selected on the basis of the magnification and the numerical aperture of the objective and optionally taking into account the wavelength of the illumination light
  • the characteristics of the lattice-type structure selected by the control electronics from the set of lattice-like structures then become The user should then change the grid-like structure, but he can also ignore the suggestion.
  • the module from the beam path and then the grating must be removed from the device before the bar grating to be inserted is inserted into a corresponding holder and fixed there. Due to the small size of the carriers with the lattice-like structures, tools such as tweezers or similar gripping tools generally have to be used for these operations. Subsequently, the module can be used again in the microscope.
  • the object of the invention is to eliminate this disadvantage and further develop the device described above to the effect that the cost of changing the lattice-like structure for a user compared with the prior art is reduced.
  • This object is achieved in a device of the type described above in that they are connected to a spreader electronics of the optical imaging system lattice changer for automatically changing from the lattice-like structure to at least one further lattice-like structure and / or for automatically removing the lattice-like structure having the illumination beam path.
  • a spreader electronics of the optical imaging system lattice changer for automatically changing from the lattice-like structure to at least one further lattice-like structure and / or for automatically removing the lattice-like structure having the illumination beam path.
  • the grid changer currently located in the illumination beam path lattice-like structure removed from this without another lattice-like structure in the illumination beam path contribute.
  • the device is completely removed from the optically imaging system.
  • the grating changer brings the lattice-like structure previously located in the illumination beam path back into the beam path, unless the objective has been replaced - in this case, a new, better suitable grid-like structure can be selected and introduced into the beam path.
  • the device can also be operated semi-automatically, which means that the change is made only if the user confirms this in the dialog box. Likewise, the selection of a grid-like structure by a user is possible via the dialog window, the grid-type structure selected by the user is then inserted.
  • the automatic grating changer can be realized in different ways.
  • the grating changer comprises a motor, relative to the optical axis of the illumination beam path movable, transparent substrate on which a plurality of mutually different lattice-like structures are applied.
  • the motor movement can, for example, take place perpendicular to the optical axis, but the introduction and replacement can take place at an oblique angle to the optical axis or on a curve. track.
  • a feedback is sent to the control electronics, which then controls the grating changer accordingly and moves the substrate by motor, until the lattice-like structure matching the substitute objective is introduced into the illumination beam path.
  • a control program can also be used which is installed, for example, on a connected PC and compensates the status of the objective revolver with the status of the grating changer and then, if necessary, initiates a change of the grid-like structure.
  • the substrate is placed with the grid-like structures by motor in a position such that the beam path is free and no lattice-like structure in the object, the sample projects becomes.
  • the rest position can therefore be chosen so that the device only has to be moved a small distance, so that in the event that the lattice-like structure would not have been removed from the beam path, it would have remained visible.
  • the substrate can be moved - the grid-like structures can then be lined up one behind the other on the substrate.
  • the application of the grid-like structures on a circular substrate is conceivable. These can then be screwed into the illumination beam path, the axis of symmetry of the substrate is parallel to the optical axis. This alternative requires a little more space, but is mechanically less expensive.
  • the user can advantageously select one of a set of substrates containing the current combination of lenses.
  • Another embodiment of the grating changer is to use a plurality of substrates instead of a substrate on which all lattice-like structures are applied, wherein a grid-like structure is applied to each substrate.
  • These substrates can be introduced by motor alternately into the illumination beam path.
  • various mechanisms are also conceivable. If space is limited, for example, a slider can be used for a lens changer with three lenses, the contains three different substrates.
  • the use of three motor-driven slides is a conceivable variant, but requires more space.
  • a combination of a slide and a magazine which can be detachably connected, for example, to the device, is also possible.
  • the magazine may for example be constructed in the manner of a drum, the individual substrates with the lattice-like structures are radially arranged around the central axis of the drum, the drum can be rotated.
  • the slider can then set the substrate to an empty position in the drum during lens change and record the corresponding new substrate after rotation of the drum, which requires a corresponding identification of the positions in the drum or the substrates.
  • the individual substrates may be arranged on a wheel which has a rotation axis parallel to the optical axis of the illumination beam path.
  • the wheel is rotated clockwise or counterclockwise about the axis of rotation until the substrate with the corresponding lattice-like structure is screwed into the beam path.
  • the whole wheel can be displaced perpendicular to the optical axis, or it is designed so that the substrate is held in a holder and for introduction into the beam path after a corresponding rotation from this holder by means of a corresponding gripper and / or slider is removed.
  • the grating changer in this case comprises a unit for spatial light modulation for generating various grid-like structures. These are generated accordingly in a conjugate object plane.
  • This Spatial Light Modulator (SLM) will be electronically controlled so that it generates the corresponding grid-like structures in response to the currently located in the beam path lens.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the electronic control changes the behavior of the spatial light modulator so that the lens associated with this lattice-like structure is generated; upon removal of the device or adjustment of the rest position, the light modulator is correspondingly switched so that it passes the light completely without structuring.
  • the grating changer is suitably coupled via the control electronics with an objective changer of the optically imaging system, wherein the control electronics is designed so that the introduced into the beam path grid-like structure is made in dependence on the magnification and / or numerical aperture of the selected lens. In this way, it is ensured that the lattice-type structure which optimally fits a lens is always introduced into the illumination beam path.
  • the means for varying the position of the image also comprise a plane-parallel glass plate arranged downstream of the grid-like structure in the illumination beam path.
  • This glass plate is preferably tiltable relative to the optical axis of the illumination beam path by means of a galvanic scanner controlled by the control electronics, namely about an axis which runs parallel to the lines of the grid-like structure and ideally intersects the optical axis.
  • a galvanic scanner controlled by the control electronics, namely about an axis which runs parallel to the lines of the grid-like structure and ideally intersects the optical axis.
  • the means for varying the position of the lattice-like structure comprise a controlled by an electronic control motor with eccentric. This allows the displacement along the optical axis to compensate for chromatic longitudinal aberrations that can occur when different wavelengths are used for the illuminating light. This is often the case, for example, with fluorescence analyzes.
  • the device described above can be used particularly well as a module in an optical imaging system, for example in a microscope, in particular in such a microscope, which is equipped with a nosepiece.
  • the complex change of the lattice-like structures by hand is completely eliminated here.
  • the grating changer located at this time in the illumination beam path lattice-like structure of this can be done when the device is removed altogether from the optically imaging system. In this way, the lattice-like structures and the substrates are better protected.
  • FIG. 3a shows a grating changer in which one of the three grid-like structures shown in FIG. 2 is arranged in the illumination beam
  • FIG. 3b shows a grating changer in which another of the grid-like structures shown in FIG. 2 is introduced into the illumination beam path.
  • FIG. 1 shows the basic structure of a device for increasing the depth discrimination of optically imaging systems, as they are in addition to the optical imaging system, which may be, for example, a microscope, for example, a transmitted light or reflected light microscope, in a modular design can be used.
  • the optical imaging system which may be, for example, a microscope, for example, a transmitted light or reflected light microscope, in a modular design can be used.
  • the device has means for structuring illumination light in an illumination beam path of the optically imaging system, which is shown in the overview in FIG.
  • these means for structuring the illumination light comprise a grid-like structure designed as a one-dimensional transmission grid 1, which is arranged in a conjugate object plane of the optically imaging system.
  • the device also includes means for varying the position of the grid-like structure along an optical axis A of the illumination beam path, the possibility of movement is represented by the double arrow drawn parallel to the optical axis.
  • the axial variation of the position of the transmission grating 1 can take place, for example, by means of a motor-driven eccentric movement, the means for varying the position for this purpose comprise a motor with an eccentric controlled by means of an electronic control system. In this way, the error can be corrected, which is caused by the chromatic L jossabberation the lens combinations and has the consequence that the planes of sharpness for different wavelengths on the optical axis A are at different locations.
  • the light of an illumination source 2 is imaged via a collector optics 3 after passing through the transmission grating 1 via the tube lens 4 and an objective or a condenser 5 into an object plane 6, which ideally intersects a sample not shown here.
  • the grating structure of the transmission grating 1 is finally imaged in an image sharpness plane 9 in which, for example, the detection chip of a camera, a conventional CCD or CMOS chip can be arranged, or further imaging means for imaging on such a sensor.
  • the detected intensities are forwarded to an evaluation unit.
  • the device also has means for varying the lateral position of the image of the grating structure of the transmission grating 1 on the sample in the object plane 6.
  • a plane-parallel glass plate 10 downstream of the transmission grating 1 in the illumination direction this motor is tilted, for example by means of a controlled by the control electronics galvanic scanner with respect to the optical axis A of the illumination beam path about an axis parallel to the lines of the grating structure of the transmission grating 1 axis.
  • This axis is marked in Figure 1 with the cross on the optical axis A in the glass plate 10, it is perpendicular to both the optical axis A and the sheet plane.
  • the device for increasing the depth discrimination also has a connected to the control electronics of the optical imaging system lattice changer for semi or fully automatic change of the lattice-like structure to at least one further lattice-like structure and / or for removing the lattice-like structure from the illumination beam path.
  • This grille changer is symbolized by the double arrow at the transmission grating 1 perpendicular to the optical axis A.
  • the grating changer is coupled via the control electronics with an objective changer of the optical imaging system and the control electronics designed so that the introduced into the beam path lattice-like structure in dependence from the magnification and / or the numerical aperture of the selected lens, which is pivoted when turning the nosepiece next in the beam path is selected.
  • the control electronics can also be configured so that confirmation by the user is required. Further manipulations to change the grid-like structure are in no case necessary.
  • a control program can be used, which is installed on a connected PC and adjusts the status of the nosepiece with the status of the grille changer and then possibly initiates a change of the grid-like structure.
  • the lattice-like structure can also be removed from the illumination beam path without another lattice-like structure being inserted into the beam path. is brought. This is useful, for example, when the device is moved from a working position to a rest position, or completely removed from the optical imaging system.
  • the device is preferably constructed modularly for this purpose, it can be integrated into a variety of optically imaging systems, especially in microscopes.
  • the lattice changer there are various possibilities for the design of the lattice changer.
  • One possibility is to design the grating changer in such a way that it comprises a transparent substrate, which is displaceable by a motor perpendicular to the optical axis of the illuminating beam path and on which a plurality of lattice-like structures differing from one another are applied.
  • a substrate 1 1 is shown in Fig.2.
  • binary line gratings 12a, 1 2b, 1 2c it is also possible to use other gratings which achieve substantially the same effect.
  • the transmission in the binary grating 12a, 12b, 12c basically has a rectangular shape transversely to the direction of the lines
  • those grating gratings are also suitable in which the transmission varies continuously and not abruptly transversely to the direction of the lines.
  • sinusoidal gratings can also be used.
  • a substrate may also contain various types of such gratings.
  • checkerboard pattern structures and two-dimensional transmission gratings, as well as phase gratings come as lattice-like structures for use in question.
  • a grating changer with which the transparent substrate 1 1 can be used is shown, for example, in FIG. 3 a and FIG. 3 b.
  • the grating changer comprises a housing 13, which contains a motor, with which a holder 14, which receives the substrate 1 1, in a plane which here corresponds to the sheet plane, is displaceable.
  • the holder 14 is slidably mounted in a guide 1 to 5.
  • the viewing direction can be seen from the object, the glass plate 1 0 is arranged in front of the substrate 1 1.
  • the substrate 12c is in the beam path.
  • the substrates are so large that they can cover the entire visible area.
  • the grating changer is used for example in a microscope, which has an objective changer with three lenses.
  • the substrate 1 1 is selected, so that in each case the best matching to the magnifications and / or numerical apertures grid structures are arranged on the substrate 1 1.
  • the electronic control unit recognizes which objective is pivoted into the beam path and controls the motor of the lattice changer, so that the previous lattice structure 12c is removed from the illumination beam path and, instead, the distance to the objective, which is pivoted, matching grating structure - in this case the grating structure 12a - is introduced into the illumination beam path.
  • the change can also be initiated by a control program, as already described above. The result is shown in Fig. 3b.
  • the grating changer also has a sensor 1 6, which transmits the control electronics at corresponding positions of the grating changer in the device, whether the grating changer is in a working position or in a rest position. In the latter case, the control electronics ensures that the slider is completely moved back to the substrate 1 1, so that none of the lattice-like structures is more in the illumination beam path. Of course, this behavior is also controllable by a user. On the side of the lattice changer on the lighting side or from above or below, it is also possible to gain access to the substrate 1 1 in order to be able to replace it if necessary. For this purpose, it is again possible to move the sliding holder 14 in a maintenance position, which corresponds to the fully extended position and to remove the device from the device without the sliding bracket is completely retracted and is no longer visible.
  • the removal of a grid-like structure and the introduction of the next grid-like structure into the illumination beam path take place in one step, namely by displacement of the holder 14 with the substrate 11, to which the grid-like structures are applied.
  • the lattice-like structures can also be arranged on a wheel-shaped substrate whose axis of rotation extends parallel to the optical axis.
  • more than three substrates may fit on such a substrate, which facilitates operation in the case of a lens change in such a way that an objective is exchanged during the objective changer.
  • This solution requires slightly more space, but is equivalent in its operation to the embodiment shown in Figure 3a and Figure 3b.
  • a substrate 1 it is also possible not to accommodate three grid-like structures on a substrate 1 1, but to provide a substrate for each grid-like structure.
  • These can be introduced alternately into the illumination beam path by motor, for example by inserting or screwing in.
  • three substrates can be arranged on three slides in a housing and lens replacement of that slider is removed with the previously current grating from the illumination beam path, whereupon the matching to the einschwenkenden lens grating is pushed into the illumination beam path.
  • the control electronics it can be detected on the basis of the sense of rotation, which Lens is pivoted.
  • each of the positions of the objective changer with a specific objective, for example via identifiers which the objective automatically transmits to the control electronics or the control software when it is inserted into the changer;
  • the positions can also be entered manually by a user.
  • the grating changer is coupled via the control electronics and / or the control program with the objective changer, the control electronics or the control program is designed so that it can be introduced into the beam path grid-like structure as a function of the magnification and / or the numerical aperture of selected lens.
  • substrates with only one lattice-like structure are used, they can be introduced not only by insertion, but also by screwing them into the illumination beam path.
  • the rotation takes place in this case about an axis parallel to the optical axis axis similar to the embodiment with the wheel, the design with the specificallycardenden not individually claimed substrates so much space.
  • Combinations of insertion and insertion are also conceivable, if the device architecture requires or permits this. It is also possible to use substrates on which a plurality of lattice-like structures are applied and yet to provide different substrates simultaneously in the device.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme. Eine solche Vorrichtung umfaßt Mittel zur Strukturierung von Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang des optisch abbildenden Systems mit einer gitterartigen Struktur in einer konjugierten Objektebene des optisch abbildenden Systems. Sie umfaßt weiterhin Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Strukturen entlang einer optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs, sowie Mittel zur Variation der Lage einer Abbildung der gitterartigen Struktur auf eine Probe in einer Objektebene. Eine solche Vorrichtung zeichnet sich durch einen mit einer Steuerelektronik bzw. einem Steuerprogramm des optisch abbildenden Systems verbundenen Gitterwechsler zum automatischen Wechsel von der gitterartigen Struktur zu mindestens einer weiteren gitterartigen Struktur und/oder zum Entfernen der gitterartigen Struktur aus dem Beleuchtungsstrahlengang aus.

Description

Titel
Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme. Eine solche Vorrichtung umfaßt unter anderem Mittel zur Strukturierung von Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang des optisch abbildenden Systems mit einer gitterartigen Struktur, die in eine konjugierte Objektebene des optisch abbildenden Systems eingebracht ist. Bei der gitterartigen Struktur kann es sich beispielsweise um eine Strichgitterstruktur in Form eines eindimensionalen Transmissionsgitters, also im wesentlichen um eine Anordnung von Streifen mit vorgegebener Dicke und mit vorgegebenem Abstand zueinander, beispielsweise auf einem transparenten Substrat, handeln. Auch zweidimensionale gitterartige Strukturen können verwendet werden. Zu den zweidimensionalen gitterartigen Strukturen zählen beispielsweise auch schachbrettartig ausgebildete Strukturen. Schließlich können anstelle von Transmissionsgittern auch Phasengitter eingesetzt werden. Die gitterartige Struktur wird über den Strahlengang der Vorrichtung und des optisch abbildenden Systems auf eine Probe, d.h. ein Objekt, welches mit dem optisch abbildenden System untersucht werden soll, abgebildet. Der Strahlengang ist dabei so konzipiert, daß die gitterartige Struktur aus einer konjugierten Objektebene in die Objektebene des optischen Systems abgebildet wird. In einer räumlich insbesondere entlang der optischen Achse - die auch als z-Achse bezeichnet wird - und somit senkrecht zur Beobachtungsebene ausgedehnten Probe macht sich die strukturierte Beleuchtung dann als ein Muster dunkler Streifen in dem Bereich der Probe bemerkbar, der in der Objektebene bzw. der Proben- Schärfeebene, d.h. der Ebene, in der die dreidimensional ausgedehnte Probe scharf abge- bildet wird, liegt. In den vor oder hinter dieser Proben-Schärfeebene liegenden Bereichen in der Probe macht sich die strukturierte Beleuchtung mit zunehmenden Abstand zur Schärfeebene weniger bemerkbar, weshalb grundsätzlich eine genauere Analyse der Probe hinsichtlich der Ausdehnung in z-Richtung möglich wird. Stand der Technik
Eine solche Vorrichtung umfaßt außerdem Mittel zur lateralen Variation der Lage der Abbil- dung der gitterartigen Struktur auf die Probe in der Objektebene. Auf diese Weise kann die Ortsphase der gitterartigen Struktur variiert werden, in der Regel mit Hilfe einer Steuerelektronik. Bei angeschlossener elektronischer Kamera und Bildauswertung ist es mittels der ortphasenabhängigen Detektierung sowie Berechnung der strukturiert aufgenommenen Bilder möglich, ein genaues optisches Schnittbild zu berechnen.
Die Vorrichtung verfügt außerdem über Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur entlang der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs. Auf diese Weise läßt sich auch die chromatische Längsabberation des optisch abbildenden Systems korrigieren, die dazu führt, daß die Schärfeebenen für unterschiedliche Wellenlängen auf der optischen Achse an unterschiedlichen Orten liegen. Eine Variation ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Probe mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen zur Fluoreszenz angeregt werden soll.
Eine Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 50 568 A1 beschrieben, sowie in der europäischen Patentschrift EP 1 307 774 B1 . Auf beide Dokumente wird ausdrücklich Bezug genommen. Die in den beiden Dokumenten beschriebenen Anordnungen bzw. Verfahren sind insbesondere für den Einsatz in der Mikroskopie geeignet, und hier insbesondere im Bereich der Fluoreszenz- Mikroskopie.
Zur Variation der lateralen Lage der Abbildung der gitterartigen Struktur auf die Probe in die Proben-Schärfenebene sieht die DE 102 50 568 A1 eine planparallele Glasplatte vor, die definiert verkippt werden kann, so daß sich die Abbildung der Strickgitterstruktur auf die Probe in der Probe-Schärfeebene verschiebt. Dies kann beispielsweise mit einem galvanischen Scanner erfolgen, der über eine Streuerelektronik, die sowohl die Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung als auch das optisch abbildende System steuert, angesteuert wird. Zur axialen Bewegung der Struktur wird in der EP 1 307 774 B1 eine motorisch getriebene Exzenter-Bewegung vorgeschlagen. Realisiert werden solche Vorrichtungen beispielsweise im Produkt "ApoTome" der Firma Carl Zeiss Microlmaging GmbH, welches als Zusatz-Einschubmodul für eine Reihe von hauseigenen Mikroskopen angeboten wird. Dabei erfordert die Verwendung verschiedener Objektive - was bei Mikroskopen mit Objektivrevolvern, die beispielsweise drei verschiedene Objektive aufnehmen können, in der Regel ohne Probleme möglich ist - auch daß einem Anwender verschiedene Strickgitterstrukturen zur Verfügung gestellt werden müssen. Je nach Vergrößerung und numerischer Apertur des Objektivs gibt es in einem Satz an vorhandenen gitterartigen Strukturen eine Struktur, die am besten für die zugrundeliegende Anwendung der optischen Schnitterstellung geeignet ist. Idealerweise liefert diese Struktur eine Schnittiefe, die in etwa der Größe des Tiefenschärfebereichs entspricht. Bei einem Objektivwechsel schlägt die Steuerelektronik dem Anwender in der Regel anhand einer auf den Objektivdaten, insbesondere der Vergrößerung und der numerischen Apertur basierenden Rechnung, oder durch Aufsuchen in einer Z.oo/(-t/p-Tabelle vor, welche gitterartige Struktur am besten zu dem eingewechselten Objektiv paßt. Die Auswahl der gitterartigen Struktur erfolgt dabei anhand der Vergrößerung und der numerischen Apertur des Ob- jektivs sowie gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Beleuchtungslichts. Die Kenndaten der von der Steuerelektronik ausgewählten gitterartigen Struktur aus dem Satz von gitterartigen Strukturen werden dann dem Anwender auf einer Ausgabeeinheit, beispielsweise auf einem Monitor in einem Dialogfenster angezeigt. Der Anwender sollte dann die gitterartige Struktur wechseln, er kann den Vorschlag allerdings auch ignorieren.
Zum Wechsel der gitterartigen Struktur muß das Modul aus dem Strahlengang und anschließend das Strichgitter aus der Vorrichtung entfernt werden, bevor das einzuwechselnde Strichgitter in eine entsprechende Halterung eingesetzt und dort fixiert wird. Für diese Arbeitsschritte müssen aufgrund der geringen Größe der Träger mit den gitterartigen Struktu- ren in der Regel Hilfsmittel wie Pinzetten oder ähnliche Greifwerkzeuge eingesetzt werden. Anschließend kann das Modul wieder in das Mikroskop eingesetzt werden.
Dieser Aufwand ist bei einem gelegentlichen Wechsel des Objektivs gerade noch vertretbar. Bei Mikroskopen mit Objektivwechslern, beispielsweise üblichen Dreifach- oder Fünffach- Objektivrevolvern, die einen Benutzer prinzipiell geradezu einladen, häufiger zwischen verschiedenen Vergrößerungen zu wechseln, ist der Aufwand des Wechseins jedoch unverhältnismäßig hoch und hebt die Vorteile, die der Objektivwechsler als solcher bietet, im Falle einer strukturierten Beleuchtung größtenteils wieder auf. Beschreibunq der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und die oben beschriebene Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß der Aufwand des Wechsels der gitterartigen Struktur für einen Benutzer gegenüber dem Stand der Technik verringert wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß sie einen mit einer Streuerelektronik des optisch abbildenden Systems verbundenen Gitterwechsler zum automatischen Wechsel von der gitterartigen Struktur zu mindestens einer weiteren gitterartigen Struktur und / oder zum automatischen Entfernern der gitterarti- gen Struktur aus dem Beleuchtungsstrahlengang aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Gitterwechslers wird beim vollautomatischen Betrieb der manuelle Eingriff des Benutzers überflüssig, da der Gitterwechsler bei einem Objektivwechsel von der Steuerelektronik so angesteuert wird, daß die für das eingewechselte Objektiv am besten passende gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht wird. Die vorher im Strah- lengang befindliche gitterartige Struktur wird gleichzeitig oder vorher aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt. Beim Einstellen einer Ruheposition, beispielsweise bei dem Herausziehen der als Modul ausgestalteten Vorrichtung zur Hälfte aus dem Anwendungsgerät, bis eine entsprechende Einrastposition erreicht wird, entfernt der Gitterwechsler die aktuell in dem Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur aus diesem ohne eine weite- re gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang einzubringen. Das gleiche erfolgt beim vollständigen Entfernen der Vorrichtung aus dem optisch abbildenden System. Beim Wiedereinsetzen der Vorrichtung bzw. dem Wiedereinstellen einer Arbeitsposition an der Vorrichtung bringt der Gitterwechsler die vorher im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur wieder in den Strahlengang ein, es sei denn, daß das Objektiv gewech- seit wurde - in diesem Fall kann bereits eine neue, besser passende gitterartige Struktur ausgewählt und in den Strahlengang eingebracht werden. Die Vorrichtung kann auch halbautomatisch betrieben werden, was bedeutet, daß der Wechsel nur dann vorgenommen wird, wenn der Benutzer diesen im Dialogfenster bestätigt. Ebenso ist die Auswahl einer gitterartigen Struktur durch einen Benutzer über das Dialogfenster möglich, die vom Benut- zer ausgewählte gitterartige Struktur wird dann eingewechselt.
Der automatische Gitterwechsler kann auf verschieden Weisen realisiert werden.
In einer ersten Ausgestaltung umfaßt der Gitterwechsler ein motorisch relativ zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlenganges bewegbares, transparentes Substrat, auf dem mehrere voneinander verschiedene gitterartige Strukturen aufgebracht sind. Die motorische Bewegung kann beispielsweise senkrecht zur optischen Achse erfolgen, das Einbringen und Wechseln kann aber in einem schrägen Winkel zur optischen Achse oder auf einer Kurven- bahn erfolgen. Für einen Objektivwechsler mit drei Objektiven bietet es sich beispielsweise an, ein Substrat zu verwenden, auf dem drei verschiedene gitterartige Strukturen aufgebracht sind. Jeweils eine der Strukturen, die zu dem ausgewählten Objektiv paßt, ist zu einem Zeitpunkt aktiv und befindet sich im Beleuchtungsstrahlengang. Wird das Objektiv ge- wechselt, so erfolgt eine Rückmeldung an die Steuerelektronik, die dann den Gitterwechsler entsprechend ansteuert und das Substrat motorisch bewegt, bis die zu dem eingewechselten Objektiv passende gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht ist. Alternativ oder in Ergänzung kann auch ein Steuerprogramm verwendet werden, welches beispielsweise auf einem angeschlossenen PC installiert ist und den Status des Objektivre- volvers mit dem Status des Gitterwechslers abgleicht und dann ggf. einen Wechsel der gitterartigen Struktur einleitet.
Wird die Vorrichtung, die vorzugsweise als Modul ausgestaltet ist, aus der Arbeitsposition in eine Ruheposition gebracht, so wird das Substrat mit den gitterartigen Strukturen motorisch in eine solche Position gebracht, daß der Strahlengang frei ist und keine gitterartige Struktur in das Objekt, die Probe projiziert wird. Die Ruheposition kann also so gewählt sein, daß die Vorrichtung nur ein kleines Stück bewegt werden muß, so daß für den Fall, daß die gitterartige Struktur nicht aus dem Strahlengang entfernt worden wäre, diese noch sichtbar geblieben wäre.
Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen der motorischen Bewegung des Substrats möglich. Beispielsweise kann das Substrat verschoben werden - die gitterartigen Strukturen können dann hintereinander auf dem Substrat aufgereiht werden. Auch die Aufbringung der gitterartigen Strukturen auf einem kreisförmigen Substrat ist denkbar. Diese können dann in den Beleuchtungsstrahlengang eingedreht werden, die Symmetrieachse des Substrats liegt parallel zur optischen Achse. Diese Alternative erfordert etwas mehr Platz, ist jedoch mechanisch weniger aufwendig.
Wird am Objektivrevolver ein Objektiv ausgewechselt, so kann der Benutzer vorteilhaft aus einem Satz von Substraten eines auswählen, welches die aktuelle Kombination von Objektiven enthält.
Eine andere Ausgestaltung des Gitterwechslers, besteht darin, anstelle eines Substrates, auf dem alle gitterartigen Strukturen aufgebracht sind, mehrere Substrate zu verwenden, wobei auf jedem Substrat jeweils eine gitterartige Struktur aufgebracht ist. Diese Substrate sind motorisch wechselweise in den Beleuchtungsstrahlengang einbringbar. Hierfür sind ebenfalls verschiedene Mechanismen denkbar. Bei beschränktem Platzangebot kann beispielsweise für einen Objektivwechsler mit drei Objektiven ein Schieber verwendet werden, der drei verschiedene Substrate enthält. Auch die Verwendung von drei motorisch angetriebenen Schiebern ist eine denkbare Variante, erfordert jedoch mehr Platz.
Um das Auswechseln der gitterartigen Strukturen bei einem Objektwechsel derart, daß an dem Objektivrevolver selbst ein Objektiv ausgetauscht wird, vollständig zu vermeiden, ist auch eine Kombination aus einem Schieber und einem Magazin, welches beispielsweise mit der Vorrichtung lösbar verbunden werden kann, möglich. Das Magazin kann beispielsweise nach Art einer Trommel aufgebaut sein, die einzelnen Substrate mit den gitterartigen Strukturen sind strahlenförmig um die zentrische Achse der Trommel gruppiert, die Trommel kann rotiert werden. Der Schieber kann dann beim Objektivwechsel das Substrat auf eine leere Position in der Trommel setzen und nach erfolgter Drehung der Trommel das entsprechende neue Substrat aufnehmen, was eine entsprechende Kennzeichnung der Positionen in der Trommel bzw. der Substrate voraussetzt. Auch andere Arten des motorischen Einbringens in den Beleuchtungsstrahlengang durch Einschieben oder Eindrehen oder einer Kombination von beidem sind möglich. Beispielsweise können die einzelnen Substrate auf einem Rad angeordnet sein, welches eine Rotationsachse parallel zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs aufweist. Je nachdem, welches Objektiv beim Drehen des Objektivrevolvers eingewechselt wird, erfolgt eine Dre- hung des Rades im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Rotationsachse bis das Substrat mit der entsprechenden gitterartigen Struktur in den Strahlengang eingedreht ist. Diese Ausgestaltung erfordert mehr Platz als eine reine auf Schiebern basierende Lösung, ist jedoch mechanisch weniger anfällig und insbesondere für eine geringere Anzahl von Substraten geeignet.
Auch im Falle der Verwendung einer Trommel oder eines Rades ist es möglich, dies mit der Anordnung mehrerer gitterartigen Strukturen auf einem Substrat wie oben beschrieben zu kombinieren, sofern der zur Verfügung stehende Platz dies erlaubt. Im Falle des Rades kann entweder das ganze Rad senkrecht zur optischen Achse verschoben werden, oder aber es ist so ausgestaltet, daß das Substrat in einer Halterung gehalten wird und zum Einbringen in den Strahlengang nach einer entsprechenden Drehung aus dieser Halterung mittels eines entsprechenden Greifers und/oder Schiebers entfernt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf mechanische Mittel zum Wechseln der gitterartigen Strukturen weitestgehend verzichtet. Der Gitterwechsler umfaßt in diesem Fall eine Einheit zur räumlichen Lichtmodulation zur Erzeugung verschiedener gitterartiger Strukturen. Diese werden entsprechend in einer konjugierten Objektebene erzeugt. Diese Einheit zur räumlichen Lichtmodulation (Spatial Light Modulator, SLM) wird elektronisch an- gesteuert, so daß sie die entsprechenden gitterartigen Strukturen in Abhängigkeit von dem aktuell im Strahlengang befindlichen Objektiv erzeugt. Bei einem Objektivwechsel ändert die elektronische Ansteuerung das Verhalten des räumlichen Lichtmodulators so, daß die diesem Objektiv zugeordnete gitterartige Struktur erzeugt wird; bei einem Entfernen der Vorrichtung oder dem Einstellen der Ruheposition wird der Lichtmodulator entsprechend so geschaltet, daß er das Licht vollständig ohne Strukturierung hindurchläßt.
Der Gitterwechsler ist zweckmäßig über die Steuerelektronik mit einem Objektivwechsler des optisch abbildenden Systems gekoppelt, wobei die Steuerelektronik so ausgestaltet ist, daß die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhängigkeit von der Vergrößerung und/oder numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs vorgenommen wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß immer die optimal zu einem Objektiv passende gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht wird. Zweckmäßig umfassen die Mittel zur Variation der Lage der Abbildung außerdem eine der gitterartigen Struktur im Beleuchtungsstrahlengang nachgeordnete planparallele Glasplatte. Diese Glasplatte ist vorzugsweise mittels eines durch die Steuerelektronik angesteuerten galvanischen Scanners gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs neigbar, und zwar um eine Achse, die zu den Strichen der gitterartigen Struktur parallel ver- läuft und idealerweise die optische Achse schneidet. Durch die Verwendung eines galvanischen Scanners ist eine sehr schnelle Veränderung der Neigung einstellbar, so daß die für die Erzeugung der Schnittbilder notwendigen Aufnahmen - in der Regel mindestens drei bei verschiedenen Neigungswinkeln der Glasplatte - ohne große Verzögerung aufgenommen werden können und sich dies ggf. auch mit einem schnellen Abtasten in z-Richtung, also entlang der optischen Achse, verbinden läßt.
Außerdem ist es zweckmäßig, daß die Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur einen mittels einer Steuerelektronik angesteuerten Motor mit Exzenter umfassen. Dies ermöglicht die Verschiebung entlang der optischen Achse zum Ausgleich chromati- scher Längsabberationen, die auftreten können, wenn für das Beleuchtungslicht verschiedene Wellenlängen verwendet werden. Dies ist beispielsweise bei Fluoreszenzanalysen oft der Fall.
Die vorangehend beschriebene Vorrichtung läßt sich besonders gut als Modul in einem op- tisch abbildenden System, beispielsweise in einem Mikroskop verwenden, insbesondere in einem solchen Mikroskop, welches mit einem Objektivrevolver ausgestattet ist. Das aufwendige Wechseln der gitterartigen Strukturen von Hand entfällt hier völlig. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß beim Einstellen einer Ruheposition an der Vorrichtung der Gitterwechsler die zu diesem Zeitpunkt im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur aus diesem entfernt. Gleiches kann erfolgen, wenn die Vorrichtung insgesamt aus dem optisch abbildenden System entfernt wird. Auf diese Weise sind die gitterartigen Strukturen bzw. die Substrate besser geschützt.
Umgekehrt ist es möglich, daß beim Einstellen einer Arbeitsposition an der Vorrichtung oder dem Einsetzen der Vorrichtung in das optisch abbildende System der Gitterwechsler wieder die vorher im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur in den Strahlengang einbringt. Wurde in der Zwischenzeit das Objektiv gewechselt, wird statt dessen die entspre- chende weitere gitterartige Struktur in den Strahlengang eingebracht.
Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, wie oben bereits angedeutet, die Substrate, auch die Räder mit den Substraten oder einzelne Elemente der Trommel bzw. die gesamte Trommel zu ersetzen oder zu ergänzen, sofern die Konfiguration der am Objektivwechsler eingesetzten Objektive verändert wird, also ein Objektiv entfernt und statt dessen ein anderes mit anderer Vergrößerung und anderer numerischen Apertur eingesetzt wird.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 den prinzipiellen Aufbau eines Beleuchtungsstrahlengangs für die strukturierte Beleuchtung,
Fig.2 ein Substrat mit drei verschiedenen gitterartigen Strukturen,
Fig.3a einen Gitterwechsler, bei dem eine der drei in Fig.2 gezeigten gitterartigen Strukturen im Beleuchtungsstrahl angeordnet ist, und
Fig.3b einen Gitterwechsler, bei dem eine andere der in Fig.2 gezeigten gitterartigen Strukturen in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht ist. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Fig.1 ist der grundlegende Aufbau einer Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme dargestellt, wie sie als Ergänzung des optisch abbildenden Systems, bei dem es sich beispielsweise um ein Mikroskop, beispielsweise um ein Durchlicht- oder Auflichtmikroskop handeln kann, in modularer Bauweise eingesetzt werden kann.
Die Vorrichtung weist Mittel zur Strukturierung von Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang des optisch abbildenden Systems, welches in Fig.1 in der Übersicht dar- gestellt ist, auf. In dem in Fig.1 gezeigten Beispiel umfassen diese Mittel zur Strukturierung des Beleuchtungslichts eine als eindimensionales Transmissionsgitter 1 ausgestaltete gitterartige Struktur, die in einer konjugierten Objektebene des optisch abbildenden Systems angeordnet ist. Die Vorrichtung umfaßt auch Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur entlang einer optischen Achse A des Beleuchtungsstrahlengangs, die Bewegungs- möglichkeit ist durch den eingezeichneten Doppelpfeil parallel zur optischen Achse dargestellt. Die axiale Variation der Position des Transmissionsgitters 1 kann beispielsweise über eine motorisch betriebene Exzenter-Bewegung erfolgen, die Mittel zur Variation der Position umfassen hierzu einen mittels einer Steuerelektronik angesteuerten Motor mit Exzenter. Auf diese Weise läßt sich der Fehler korrigieren, der durch die chromatische Längsabberation der Linsenkombinationen entsteht und zur Folge hat, daß die Schärfeebenen für unterschiedliche Wellenlängen auf der optischen Achse A an unterschiedlichen Orten liegen.
In der Wirkung äquivalent zur Verschiebung des Transmissionsgitters 1 ist die Verschiebung einer Tubuslinse 4, die bereits zum optisch abbildenden System gehört. Auch diese Ver- Schiebungsmöglichkeit wird durch einen entsprechenden Doppelpfeil in Fig.1 symbolisiert. Der Ausdruck„Linse" soll dabei auch komplexere Linsensysteme oder Kittglieder umfassen, die die entsprechend benötigte Wirkung erzeugen.
Das Licht einer Beleuchtungsquelle 2 wird über eine Kollektoroptik 3 nach dem Durchtritt durch das Transmissionsgitter 1 über die Tubuslinse 4 und ein Objektiv bzw. einen Kondensor 5 in eine Objektebene 6 abgebildet, die idealerweise eine hier nicht eingezeichnete Probe schneidet. Über ein weiteres Objektiv 7 und eine diesem nachgeordnete Tubuslinse 8 wird die Strichgitterstruktur des Transmissionsgitters 1 schließlich in eine Bild-Schärfeebene 9 abgebildet, in der beispielsweise der Detektierungschip einer Kamera, ein üblicher CCD- oder CMOS-Chip angeordnet sein kann, oder aber weitere Abbildungsmittel zur Abbildung auf einen solchen Sensor. Die detektierten Intensitäten werden zu einer Auswerteeinheit weitergeleitet. Die Vorrichtung weist außerdem Mittel zur Variation der lateralen Lage der Abbildung der Strichgitterstruktur des Transmissionsgitters 1 auf die Probe in der Objektebene 6 auf. Dazu ist im Beleuchtungsstrahlengang dem Transmissionsgitter 1 im Beleuchtungsrichtung eine planparallele Glasplatte 10 nachgeordnet, diese ist motorisch beispielsweise mittels eines durch die Steuerelektronik angesteuerten galvanischen Scanners gegenüber der optischen Achse A des Beleuchtungsstrahlengang um eine zu den Strichen der Gitterstruktur des Transmissionsgitters 1 parallele Achse neigbar. Diese Achse ist in Fig.1 mit dem Kreuz auf der optischen Achse A in der Glasplatte 10 gekennzeichnet, sie steht senkrecht sowohl zur optischen Achse A als auch zur Blattebene. Durch Neigen der Glasplatte werden die Strah- len des Beleuchtungslichts parallel versetzt, was zu einer Variation der Ortsphase der Struktur in der Proben-Schärfeebene, der Objektebene 6 resultiert. Mittels der ortsphasenabhän- gigen Detektierung und der oben beschriebenen Minimierung chromatischer Längsfehler wird es möglich, strukturierte Bilder zur Berechnung eines optischen Schnittbildes bei unterschiedlichen chromatischen Bedingungen zu erzeugen. Das Ergebnis kann als Bild dann auf einem hier nicht dargestellten Monitor ausgegeben werden oder zur weiteren Verwertung gespeichert werden.
Die Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung weist außerdem einen mit der Steuerelektronik des optisch abbildenden Systems verbundenen Gitterwechsler zum halb- oder vollautomatischen Wechsel von der gitterartigen Struktur zu mindestens einer weiteren gitterartigen Struktur und/oder zum Entfernen der gitterartigen Struktur aus dem Beleuchtungsstrahlengang auf. Dieser Gitterwechsler wird durch den Doppelpfeil beim Transmissionsgitter 1 senkrecht zur optischen Achse A symbolisiert. Dabei ist es möglich, daß ein Benutzer auswählt, zu welcher weiteren gitterartigen Struktur gewechselt wird, bevorzugt ist aber der Gitterwechsler über die Steuerelektronik mit einem Objektivwechsler des optisch abbildenden Systems gekoppelt und die Steuerelektronik so ausgestaltet, daß die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhängigkeit von der Vergrößerung und/oder der numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs, welches beim Drehen des Objektivrevolvers als nächstes in den Strahlengang geschwenkt wird, ausgewählt wird. Dies kann vollautomatisch erfolgen, allerdings kann die Steuerelektronik auch so ausgestaltet werden, daß eine Bestätigung seitens des Benutzers erforderlich ist. Weitere Handgriffe zum Wechsel der gitterartigen Struktur sind in keinem Fall notwendig. Alternativ oder in Ergänzung kann auch ein Steuerprogramm verwendet werden, welches auf einem angeschlossenen PC installiert ist und den Status des Objektivrevolvers mit dem Status des Gitterwechslers abgleicht und dann ggf. einen Wechsel der gitterartigen Struktur einleitet.
Statt die gitterartige Struktur zu wechseln, kann sie auch aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt werden, ohne daß eine weitere gitterartige Struktur in den Strahlengang ein- gebracht wird. Die ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Vorrichtung aus einer Arbeitsposition in eine Ruheposition verschoben wird, oder vollständig aus dem optisch abbildenden System entfernt wird. Die Vorrichtung ist zu diesem Zweck bevorzugt modular aufgebaut, sie läßt sich so in eine Vielzahl optisch abbildender Systeme, insbesondere in Mikro- skope integrieren.
Für die Konzipierung des Gitterwechslers gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, den Gitterwechsler so auszugestalten, daß er ein motorisch senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs verschiebbares, transparentes Substrat umfaßt, auf dem mehrere, von einander verschiedene gitterartige Strukturen aufgebracht sind. Ein solches Substrat 1 1 ist in Fig.2 dargestellt. Es handelt sich um eine einfache planparallele Glasplatte, auf der im vorliegendem Fall binäre Strichgitter 12 aufgebracht sind, die sich in ihrer Strichdicke und Periodizität - also dem Abstand der Striche zueinander - unterscheiden. Anstelle von binären Strichgittern 12a, 1 2b, 1 2c lassen sich aber auch andere Gitter, die im wesentlichen die gleiche Wirkung erreichen, verwenden. Während die Transmission beim binären Strichgitter 12a, 12b, 12c grundsätzlich quer zur Richtung der Striche Rechteckform aufweist, so sind auch solche Strichgitter geeignet, bei denen die Transmission quer zur Richtung der Striche kontinuierlich und nicht sprunghaft variiert. So lassen sich beispielsweise auch Sinusgitter verwenden. Ein Substrat kann auch verschiedene Typen solcher Gitter enthalten. Auch Schachbrettmusterstrukturen und zweidimensionale Transmissionsgitter, sowie Phasengitter kommen als gitterartige Strukturen für eine Verwendung in Frage.
Ein Gitterwechsler, mit dem das transparente Substrat 1 1 verwendet werden kann, ist bei- spielsweise in Fig .3a und Fig.3b dargestellt. Der Gitterwechsler umfaßt ein Gehäuse 13, welches einen Motor enthält, mit dem eine Halterung 14, die das Substrat 1 1 , aufnimmt, in einer Ebene, die hier der Blattebene entspricht, verschiebbar ist. Die Halterung 14 ist dazu in einer Führung 1 5 verschiebbar gelagert. Die Blickrichtung ist vom Objekt her zu sehen, die Glasplatte 1 0 ist vor dem Substrat 1 1 angeordnet. In Fig.3a befindet sich das Substrat 12c im Strahlengang. Die Substrate sind so groß, daß sie den gesamten sichtbaren Bereich abdecken können. Der Gitterwechsler wird beispielsweise in einem Mikroskop eingesetzt, welches einen Objektivwechsler mit drei Objektiven aufweist. Entsprechend zu den Objektiven wird das Substrat 1 1 gewählt, so daß jeweils die zu den Vergrößerungen und/oder numerischen Aperturen am besten passenden Gitterstrukturen auf dem Substrat 1 1 angeordnet sind. Nimmt ein Benutzer einen Objektivwechsel durch Drehen des Objektivrevolvers vor, erkennt die Steuerelektronik, welches Objektiv in den Strahlengang eingeschwenkt wird und steuert den Motor des Gitterwechslers, so daß die bisherige Gitterstruktur 12c aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt und statt dessen die zu dem Objektiv, welches einge- schwenkt wird, passende Gitterstruktur - in diesem Fall die Gitterstruktur 12a - in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht wird. Ergänzend oder alternativ kann der Wechsel auch, wie oben bereits beschrieben, von einem Steuerprogramm initiiert werden. Das Ergebnis ist in Fig.3b gezeigt.
Der Gitterwechsler verfügt außerdem noch über einen Sensor 1 6, der der Steuerelektronik an entsprechenden Positionen des Gitterwechslers im Gerät übermittelt, ob sich der Gitterwechsler in einer Arbeitsposition oder in einer Ruheposition befindet. Im letzteren Fall sorgt die Steuerelektronik dafür, daß der Schieber mit dem Substrat 1 1 vollständig zurückgefahren wird, so daß sich keine der gitterartigen Strukturen mehr im Beleuchtungsstrahlengang befindet. Auch dieses Verhalten ist selbstverständlich durch einen Benutzer steuerbar. Auf der beleuchtungsseitig gelegenen Seite des Gitterwechslers oder von oben bzw. unten ist es außerdem möglich, Zugang zu dem Substrat 1 1 zu erhalten, um dieses gegebenenfalls auswechseln zu können. Dazu ist es wiederum möglich, die verschiebbare Halterung 14 in eine Wartungsposition zu fahren, die der vollausgefahrenen Position entspricht und die Vorrichtung aus dem Gerät zu entfernen, ohne daß die verschiebbare Halterung vollständig eingezogen wird und nicht mehr sichtbar ist.
Bei der in Fig.3a und Fig.3b gezeigten Ausführung erfolgt das Entfernen der einen gitterarti- gen Struktur und das Einbringen der nächsten gitterartigen Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang in einem Schritt, nämlich durch Verschiebung der Halterung 14 mit dem Substrat 1 1 , auf welches die gitterartigen Strukturen aufgebracht sind. In einer ähnlichen Ausführung können die gitterartigen Strukturen aber auch auf einem radförmigen Substrat angeordnet sein, dessen Rotationsachse parallel zur optischen Achse verläuft. Auf ein solches Substrat passen unter Umständen mehr als drei Substrate, was bei einem Objektivwechsel derart, daß beim Objektivwechsler ein Objektiv ausgewechselt wird, die Bedienung erleichtert. Diese Lösung erfordert etwas mehr Platz, ist jedoch in ihre Wirkungsweise äquivalent zu der in Fig.3a und Fig.3b gezeigten Ausgestaltung. Außerdem ist es auch möglich, nicht drei gitterartige Strukturen auf einem Substrat 1 1 unterzubringen, sondern für jede gitterartige Struktur ein Substrat vorzusehen. Diese können motorisch wechselweise in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden, beispielsweise durch Einschieben oder Eindrehen. Beispielsweise können drei Substrate auf drei Schiebern in einem Gehäuse angeordnet sein und bei Objektivwechsel wird derjenige Schieber mit dem bisher aktuellen Strichgitter aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt, woraufhin das zu dem einschwenkenden Objektiv passenden Strichgitter in den Beleuchtungsstrahlengang geschoben wird. Sind die drei Objektive, die der Objektivwechsler im besten Fall aufnimmt, der Steuerelektronik bekannt, so kann anhand des Drehsinnes erkannt werden, welches Objektiv eingeschwenkt wird. Außerdem ist es auch möglich, jede der Positionen des Objektivwechslers einem bestimmten Objektiv zuzuordnen, beispielsweise über Kennungen, die das Objektiv beim Einsetzen in den Wechsler automatisch an die Steuerelektronik bzw. die Steuersoftware übermittelt; alternativ können die Positionen auch per Hand durch einen Benutzer eingegeben werden.
Der Gitterwechsler ist über die Steuerelektronik und / oder das Steuerprogramm mit dem Objektivwechsler gekoppelt, die Steuerelektronik bzw. das Steuerprogramm ist dabei so ausgestaltet, daß sie die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhän- gigkeit von der Vergrößerung und/oder der numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs auswählt.
Sofern Substrate mit nur jeweils einer gitterartigen Struktur verwendet werden, können diese nicht nur durch Einschieben, sondern auch durch Eindrehen in den Beleuchtungsstrahlen- gang eingebracht werden. Die Drehung erfolgt in diesem Fall um eine zur optischen Achse parallele Achse ähnlich der Ausgestaltung mit dem Rad, wobei die Ausgestaltung mit den einzeln einzudrehenden Substraten nicht ganz so viel Platz beansprucht. Denkbar sind auch Kombinationen von Einschieben und Eindrehen, wenn die Gerätearchitektur dies erfordern oder ermöglichen sollte. Auch ist es möglich, Substrate zu verwenden, auf denen mehrere gitterartige Strukturen aufgebracht sind und dennoch verschiedene Substrate gleichzeitig in der Vorrichtung vorzuhalten.
Anstelle eines Systems aus Substraten und Schiebern/Rädern ist auch die Verwendung eines Gitterwechslers mit einer Einheit zur räumlichen Lichtmodulation möglich, welche ver- schiedene gitterartige Strukturen erzeugen kann, je nach Ansteuerung. Hierbei kann auf viele mechanische und damit relativ verschleißfreudige Teile verzichtet werden, hinzu kommt jedoch eine relativ komplexe Ansteuerung der Einheit zur Lichtmodulation, deren Verwendung außerdem zu Lichtverlusten führt. Die vorangehend beschriebene Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung erleichtert einem Benutzer eines optisch abbildenden Systems, insbesondere eines Mikroskops mit mehreren Objektiven in einem Objektivrevolver die Anpassung der strukturierten Beleuchtung, die zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung verwendet wird, in erheblichem Maß, da sie die Notwendigkeit manueller Eingriffe zur Anpassung der strukturierten Beleuchtung ge- genüber im Stand der Technik bekannten Lösungen wesentlich reduziert. Bezuqszeichenliste
1 Transmissionsgitter
2 Lichtquelle
3 Kollektoroptik
4 Tubuslinse
5 Objektiv
6 Objektebene
7 Objektiv
8 Tubuslinse
9 Bild-Schärfeebene
10 Glasplatte
1 1 Substrat
12a,b,c binäre Strichgitter
13 Gehäuse
14 Halterung
15 Führung
16 Sensor
A optische Achse

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme, umfassend
Mittel zur Strukturierung von Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang des optisch abbildenden Systems mit einer gitterartigen Struktur in einer konjugierten Objektebene des optisch abbildenden Systems,
Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur entlang einer optischen Achse (A) des Beleuchtungsstrahlengangs,
Mittel zur Variation der lateralen Lage einer Abbildung der gitterartigen Struktur auf eine Probe in einer Objektebene (6),
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung einen mit einer Steuerelektronik des optisch abbildenden Systems verbundenen Gitterwechsler zum automatischen Wechsel von der gitterartigen Struktur zu mindestens einer weiteren gitterartigen Struktur und / oder zum Entfernen der gitterartigen Struktur aus dem Beleuchtungsstrahlengang aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterwechsler ein motorisch relativ zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs bewegbares, transparentes Substrat (1 1 ) umfaßt, auf dem mehrere, voneinander verschiedene gitterartige Strukturen (12a, 12b, 12c) aufgebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterwechsler mehrere Substrate mit jeweils einer gitterartigen Struktur umfaßt, die motorisch wechselweise in den Beleuchtungsstrahlengang, vorzugsweise durch Einschieben oder Eindrehen einbringbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterwechsler eine Einheit zur räumlichen Lichtmodulation zur Erzeugung verschiedener gitterartiger Strukturen umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitterwechsler über die Steuerelektronik und / oder ein Steuerprogramm mit einem Objektivwechsler des optisch abbildenden Systems gekoppelt ist, und die Steuerelektronik bzw. das Steuerprogramm so ausgestaltet ist, daß die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhängigkeit von der Vergrößerung und/oder numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs ausgewählt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Modul in einem optisch abbildenden System, bevorzugt einem Mikroskop.
Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einstellen einer Ruheposition an der Vorrichtung oder dem Entfernen der Vorrichtung aus dem optisch abbildenden System der Gitterwechsler die zu diesem Zeitpunkt im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur aus diesem entfernt.
Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einstellen einer Arbeitsposition an der Vorrichtung oder dem Einsetzen der Vorrichtung in das optisch abbildende System der Gitterwechsler die vorher im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur wieder in den Strahlengang einbringt.
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