WO2017207331A1 - Verlaufsfilteranordnung - Google Patents

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graduated filter
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Matthias Wald
Dieter Huhse
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Carl Zeiss Microscopy GmbH
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    • G02B21/0076—Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence

Definitions

  • the invention relates to a level filter arrangement according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to an optical arrangement comprising a graduated filter arrangement, a microscope comprising a graduated filter arrangement and a use of the
  • a gradient filter is an optical filter, in particular having dichroic layers, which has regions (“spectrally selective regions”) arranged with different spectral filter properties parallel to one of its surfaces which are preferably planar Wavelength in different areas of the filter different.
  • DE 10 2012 205 722 A1 describes an imaging color splitter module with an imaging optical unit having a first lens and a second lens for imaging an object field into a first and a second image plane and a color splitter.
  • the color splitter divides a common beam path extending from the object field to the color splitter into a first beam path which extends to the first image plane and into a second beam path which extends to the second image plane, wherein the common beam path and the first beam path each extend axially through the first beam path Lens extend and the second beam path out of axis through the second lens.
  • the gradient filter 2 is applied to a side surface of a transparent carrier 3 for certain wavelengths or wavelength ranges to be transmitted.
  • An incident light beam 6, for example, an excitation or illumination radiation is reflected back partly as a reflected light beam 7 on the gradient filter 2 formed by a dielectric coating. Another portion of the incident light beam 6 passes through the gradient filter 2 and the carrier 3 and, after being refracted twice, continues as a transmitted light beam 8.
  • the incident light beam 6 and the reflected light beam 7 include a deflection angle ⁇ .
  • a disadvantage of such a gradient filter 2 and carrier 3 is that the beam position of the reflected light beam 7 is already very much changed by a slight tilting of the gradient filter 2 about the Y-axis Y. Such tilting may occur, for example, if that
  • History filter 2 changed in its spatial position, for example, shifted, is.
  • the invention has for its object to propose a gradient filter arrangement, lead in the occurring tilting of the gradient filter to a small change in the beam position.
  • the invention is further based on the object, possible uses of
  • the object is achieved with regard to the gradient filter arrangement by the subject matter of claim 1.
  • the object is achieved by the subject matter of claim 1.
  • the graduated filter arrangement comprises a gradient filter which is spatially variable with respect to a beam path and which is provided in a desired filter plane, and a mirror in a mirror plane.
  • the mirror plane and the desired filter plane are mutually fixed and relatively aligned with one another so that a bundle of light rays incident at an incident angle along the beam path is at least partially reflected between the gradient filter and the mirror, so that at least twice the deflection of the incident light beam comes through the gradient filter assembly.
  • the reflected light beam is reflected as a bundle of light beams at a reject angle from the graduated filter assembly, wherein an existing angular error between the desired filter plane and given by the current position of the main plane of the gradient filter actual filter plane is reduced due to the at least twice deflection or even compensated and the angle of reflection remains constant relative to the angle of incidence.
  • the desired filter plane is a plane in which the gradient filter ideally extends at its greatest extent, while the actual filter plane designates a plane with a current position in which the gradient filter currently extends at its greatest extent.
  • An angular deviation between the desired filter plane and the actual filter plane is referred to as the tilt angle ⁇ .
  • the gradient filter arrangement can be moved relative to the beam path of the incident light beam. Its position along the beam path and / or its angular position with respect to the beam path are variable.
  • the graduated filter is on one
  • a pentaprism has the property that the reflected light beam is always deflected by exactly 90 ° with respect to the incident light beam, no matter how
  • Pentaprism is twisted. It is possible in a further embodiment of the graduated filter arrangement that suitable prisms having other numbers of side surfaces than those of a pentaprism are used.
  • the graduated filter arrangement according to the invention are configured such that the beam path between the graduated filter and the mirror does not run through a body.
  • gradient filters and mirrors can be fixed relative to one another and, for example, have a common base.
  • a gradient filter arrangement according to the invention must be chosen such that, when the gradient filter is tilted at least in one direction, the deflection angle of the reflected light beam changes less than the angle change of the gradient filter itself. This is advantageously achieved by a pentaprism.
  • Embodiments of the gradient filter arrangement in which the incident light beam impinges on the gradient filter with a small angle of incidence of, for example, 10 °, are advantageous.
  • the angle of incidence on the bleed filter can vary depending on the requirements of the filter properties. For example, 10 ° has proven to be a good compromise between filter properties that are best at an incidence angle of 0 ° and a separation of incident and reflected light beams.
  • the angle-stabilizing properties of a pentaprism remain unaffected by the angles of incidence.
  • the graduated filter is an optical one on or after its lateral surface facing away from the mirror
  • the compensating element may be formed, for example, as a prism.
  • the mirror can be used as a reflective coating on a surface as well as through the
  • the mirror is designed as a retroreflector, for example as a triple mirror or a so-called cat's eye.
  • the gradient filter arrangement can be configured in such a way that the incident beam of the light beams is reflected by the gradient filter onto the mirror and is reflected by the latter back onto the gradient filter or can be reflected.
  • the graduated filter which is embodied, for example, as a main color splitter of a microscope, is hit twice by the illumination light in these embodiments before being deflected, for example, into a beam path of the microscope.
  • an error of the beam position compensated by itself.
  • the angular error of a first reflection is compensated.
  • the illumination light advantageously serves as an excitation light.
  • the emission of fluorescence radiation can be excited by means of the excitation light and / or portions of the excitation light impinging on a sample are reflected as reflection light. Fluorescence radiation and / or reflection light can be detected as detection radiation.
  • At least one optical lens may be arranged between the graduated filter and the mirror in order to shape, for example, to focus or to focus the light beams reflected by the graduated filter and / or the light beams reflected back onto the graduated filter by the mirror.
  • the gradient filter arrangement can be designed to be displaceable along an axis.
  • the gradient filter arrangement may comprise a carriage which can be displaced along the axis.
  • the gradient filter arrangement may be part of an optical arrangement.
  • Advantageous is the
  • Gradient filter arrangement part of a microscope, for example a laser scanning microscope.
  • the gradient filter arrangement can be used to reduce or even compensate an angle error between the desired filter plane and the actual filter plane given by the main plane of the gradient filter.
  • Such a compensation option offers great potential for increasing the efficiency of imaging systems.
  • An example is the coupling of a reflected light beam into a glass fiber with z. B. a core diameter of 100 ⁇ .
  • the focal point behind the coupling lens shifts at an angle change of the reflected light beam of 0.1 °, ie at a tilt of the gradient of 0.05 ° already by 10 ⁇ , which already noticeable Einkoppellage after would prefer.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a beam path on a gradient filter (prior art)
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first embodiment of a gradient filter arrangement according to the invention in cross section
  • FIG. 3 is a schematic representation of a second embodiment of a flow filter arrangement according to the invention in cross section
  • FIG. 4 is a schematic representation of a third embodiment of a gradient filter arrangement according to the invention in cross section
  • FIG. 5 is a schematic representation of a fourth embodiment of a gradient filter arrangement according to the invention in cross section
  • Fig. 6 is a schematic representation of a fifth embodiment of a flow filter arrangement according to the invention in a perspective view
  • Fig. 7 is a schematic representation of a sixth embodiment of a
  • the beam path shown in FIG. 1 on a gradient filter 2 essentially lies in an XZ plane XZ of a Cartesian coordinate system with an X-axis X, a Y-axis Y and a Z-axis Z.
  • a pentaprism 10 is present, which is shown in a side view and has the first to fifth side surfaces 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 and 10.5.
  • the gradient filter 2 is applied to the second side surface 10.2.
  • the fourth side surface 10.4 is mirrored and acts as a mirror 4.
  • the plane of the second side surface 10.2 coincides with a filter plane 2.1, which corresponds to an actual filter plane of the gradient filter 2 and in which the gradient filter 2 extends.
  • the fourth side surface 10.4 coincides with a mirror plane 4.1.
  • Gradient filter 2 fall setpoint filter level and actual filter level 2.1 together.
  • the gradient filter arrangement 1 is illustrated schematically in the exemplary embodiments as part of an optical arrangement 16, in particular of a microscope 16.
  • An incident light beam 6 of an illumination light enters the pentaprism 10 through the fifth side surface 10. 5 and is reflected proportionally at the filter plane 2. 1 by the effect of the gradient filter 2.
  • An unreflected portion of the light beam 6 passes through the gradient filter 2 and propagates as a transmitted light beam 8.
  • the reflected portion of the light beam 6 is reflected again at the mirror plane 4.1 and exits as a reflected light beam 7 from the first side surface 10.1.
  • the incident light beam 6 and the reflected light beam 7 include the deflection angle ⁇ .
  • the deflection angle .alpha Remains due to the effect of the double reflection between the progress filter 2 and the mirror 4 with simultaneous fixed relative position of the progress filter 2 and Mirror 4 constant.
  • a pentaprism 10 having a shape which is changed in comparison to the first exemplary embodiment is present.
  • the deflection angle ⁇ With a tilting movement about the Y-axis Y and with the tilt angle ⁇ , the deflection angle ⁇ remains constant.
  • Gradient filter arrangement 1 shown (Fig. 4).
  • the gradient filter 2 is formed on a surface of the carrier 3.
  • the carrier 3 is by means of a mirror base 12 with the mirror 4 in a rigid connection.
  • the mirror 4 is formed on an inclined planar surface of the mirror base 12 as a reflective layer.
  • the rigid connection of the gradient filter 2 with the carrier 3 and mirror 4 these are fixed relative to each other and relative to each other that a incident at an angle of incidence along the beam path bundle of light beams 6 is at least partially reflected between the gradient filter 2 and the mirror 4, so it comes to a double deflection of the incident light beam 6 through the gradient filter assembly 1.
  • the reflected light beam 7 is guided as a free jet.
  • FIG. 5 shows a fourth exemplary embodiment of the graduated filter arrangement 1
  • the gradient filter 2 is shifted into an image plane of, for example, a microscope 16, in order to hit other locations on the gradient filter 2. Due to the optical properties of the pentaprism 10, the reflected light beam 7 is always deflected by a deflection angle ⁇ of 90 ° with respect to the incident light beam 6, irrespective of the tilt angle ⁇ .
  • Gradient filter assembly 1 is a fragmentary and schematic of a microscope 16 with a
  • a gradient filter 2 also referred to as a main color divider, which separates a detection beam path 9 from an excitation beam path 5, both of which are symbolized by arrows, as a central functional element.
  • a bundle of incident light rays 6 is reflected on the gradient filter 2, deflected by the action of the mirror 4 and the gradient filter 2 and directed as a reflected light beam 7 along the excitation beam path 5 on a sample (not shown).
  • the wavelength-shifted fluorescence signal passes as detection light through the microscope 16 back to the gradient filter 2 and is now transmitted there due to the larger wavelength (transmitted light beam 8).
  • the bundle of incident light beam 6 is reflected by the gradient filter 2 on the mirror 4 and passes from this again to the gradient filter 2.
  • the light of the now twice reflected by the gradient filter 2 light beam 7 is directed along the excitation beam 5 to the sample. Detection light obtained from the sample impinges on the gradient filter 2 and becomes due to its changed wavelength, for which the progressive filter 2 is transparent, as
  • the gradient filter arrangement In the present embodiment of the gradient filter arrangement 1, all angle errors compensate each other exactly. To avoid a Lateralversatzes the gradient filter 2 is imaged on itself. For detection, the level filter 2 is used in a single pass, so that no disadvantages arise over the prior art.
  • Gradient filter 2 advantageously eliminates tracking of the adjustment mirror.
  • An exchange mechanism for the level filter 2 can advantageously be made simpler.
  • FIG. 7 A further possible embodiment is shown in FIG. 7, wherein, unlike the exemplary embodiment shown in FIG. 6, there is no imaging of the gradient filter 2 on itself.
  • a retroreflector is arranged as a mirror 4, so that the light beam 7 reflected at the gradient filter 2 can be reflected back without changing the angle.
  • the beam path of the bundle of reflected light beams 7 in or on the mirror 4 is not shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verlaufsfilteranordnung (1) umfassend einen bezüglich eines Strahlengangs ortsveränderlichen Verlaufsfilter (2), der in einer Soll-Filterebene vorgesehen ist, und einen Spiegel (4) in einer Spiegelebene (4.1). Erfindungsgemäß sind die Spiegelebene (4.1) und die Soll- Filterebene zueinander fest und relativ so zueinander ausgerichtet, dass ein unter einem Einfallswinkel entlang des Strahlengangs einfallendes Bündel von Lichtstrahlen (6) mindestens anteilig zwischen dem Verlaufsfilter (2) und dem Spiegel (4) reflektiert ist, sodass es mindestens zu einer zweifachen Umlenkung des einfallenden Lichtstrahls (6) durch die Verlaufsfilteranordnung (1) kommt und der reflektierte Lichtstrahl (7) als ein Bündel reflektierter Lichtstrahlen (7) unter einem Ablenkwinkel (a) aus der Verlaufsfilteranordnung (1) reflektiert ist, wobei die optische Wirkung eines vorhandenen Winkelfehlers zwischen der Soll-Filterebene und einer durch die aktuelle Lage der Hauptebene des Verlaufsfilters (2) gegebenen Ist-Filterebene (2.1) infolge der mindestens zweimaligen Umlenkung reduziert ist und der Ablenkwinkel (a) konstant bleibt. Die Erfindung betrifft ferner optische Anordnungen (16) umfassend die Verlaufsfilteranordnung (1) und Verwendungen der Verlaufsfilteranordnung (1).

Description

Verlaufsfilteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Verlaufsfilteranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine optische Anordnung umfassend eine Verlaufsfilteranordnung, ein Mikroskop umfassend eine Verlaufsfilteranordnung sowie eine Verwendung der
Verlaufsfilteranordnung.
Ein Verlaufsfilter ist ein optisches Filter, insbesondere mit dichroitischen Schichten, das parallel zu einer seiner, vorzugsweise planen, Oberflächen angeordnete Bereiche („spektral selektive Bereiche") mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften aufweist. Das optische Transmissionsvermögen des Filters ist zum einen wellenlängenabhängig und für mindestens eine Wellenlänge in voneinander verschiedenen Bereichen des Filters verschieden.
Verlaufsfilter sind beispielsweise aus der DE 10 2014 008 098 AI bekannt, in der eine optische Filtervorrichtung beschrieben ist, die ein Filter, insbesondere mit dichroitischen Schichten, umfasst, das parallel zu einer seiner Oberflächen angeordnete Bereiche mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften aufweist.
In der DE 10 2012 205 722 AI ist ein abbildendes Farbteilermodul mit einer eine erste Linse und eine zweite Linse aufweisenden Abbildungsoptik zum Abbilden eines Objektfeldes in eine erste und eine zweite Bildebene und einem Farbteiler beschrieben. Der Farbteiler teilt einen vom Objektfeld bis zum Farbteiler verlaufenden gemeinsamen Strahlengang in einen ersten Strahlengang, der bis zur ersten Bildebene verläuft, und in einen zweiten Strahlengang, der bis zur zweiten Bildebene verläuft, wobei der gemeinsame Strahlengang und der erste Strahlengang jeweils außeraxial durch die erste Linse verlaufen und der zweite Strahlengang außeraxial durch die zweite Linse verläuft.
Ein für den Stand der Technik typischer Strahlengang bei Verwendung eines Verlaufsfilters 2 in einem Mikroskop 16 wie zum Beispiel einem Laser-Scanning-Mikroskop, ist schematisch in der Fig. 1 dargestellt. Das Verlaufsfilter 2 ist auf einer Seitenfläche eines für bestimmte zu transmittierende Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche transparenten Trägers 3 aufgebracht.
Ein einfallender Lichtstrahl 6 beispielsweise einer Anregungs- oder Beleuchtungsstrahlung wird teilweise an dem durch eine dielektrische Beschichtung gebildeten Verlaufsfilter 2 als reflektierter Lichtstrahl 7 zurückgeworfen. Ein weiterer Anteil des einfallenden Lichtstrahls 6 passiert das Verlaufsfilter 2 und den Träger 3 und verläuft nach zweimaliger Brechung als transmittierter Lichtstrahl 8 weiter. Der einfallende Lichtstrahl 6 und der reflektierte Lichtstrahl 7 schließen einen Ablenkwinkel α ein.
Ein Nachteil eines solchen Verlaufsfilters 2 und Trägers 3 ist, dass die Strahllage des reflektierten Lichtstrahls 7 sehr stark bereits durch eine geringfügige Verkippung des Verlaufsfilters 2 um die Y- Achse Y verändert wird. Solche Verkippungen können beispielsweise auftreten, wenn das
Verlaufsfilter 2 in seiner Ortslage verändert, beispielsweise verschoben, wird.
Bei einer auftretenden Verkippung mit einem Kippwinkel ß (lediglich zur Veranschaulichung angegeben), die bei einer mechanischen Verschiebung nie gänzlich vermeidbar ist, wird der reflektierte Lichtstrahl 7 um einen doppelten Winkel ß abgelenkt. Je nach Anwendung sind dementsprechend hohe Anforderungen an die Genauigkeit der mechanischen Führung zu erfüllen, sodass die Herstellung der mechanischen Führung entsprechend teuer und aufwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Verlaufsfilteranordnung vorzuschlagen, bei der auftretende Verkippungen des Verlaufsfilters zu einer geringen Änderung der Strahllage führen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, mögliche Verwendungen der
Verlaufsfilteranordnung sowie optische Anordnungen umfassend die Verlaufsfilteranordnung vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Verlaufsfilteranordnung durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der optischen Anordnung wird die Aufgabe durch den Gegenstand des
Anspruchs 10 und hinsichtlich der Verwendungen der Verlaufsfilteranordnung durch die
Gegenstände des Anspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Verlaufsfilteranordnung umfasst einen bezüglich eines Strahlengangs ortsveränderlichen Verlaufsfilter, der in einer Soll-Filterebene vorgesehen ist, und einen Spiegel in einer Spiegelebene.
Erfindungsgemäß sind die Spiegelebene und die Soll-Filterebene zueinander fest und relativ so zueinander ausgerichtet, dass ein unter einem Einfallswinkel entlang des Strahlengangs einfallendes Bündel von Lichtstrahlen mindestens anteilig zwischen dem Verlaufsfilter und dem Spiegel reflektiert ist, sodass es mindestens zu einer zweifachen Umlenkung des einfallenden Lichtstrahls durch die Verlaufsfilteranordnung kommt. Der reflektierte Lichtstrahl wird als ein Bündel von Lichtstrahlen unter einem Ausfallwinkel aus der Verlaufsfilteranordnung reflektiert, wobei ein vorhandener Winkelfehler zwischen der Soll-Filterebene und einer durch die aktuelle Lage der Hauptebene des Verlaufsfilters gegebenen Ist-Filterebene infolge der mindestens zweimaligen Umlenkung reduziert oder gar kompensiert ist und der Ausfallswinkel relativ zu dem Einfallswinkel konstant bleibt.
Es wurde erkannt, dass durch eine mindestens zweifache Reflexion des einfallenden Lichtstrahls, die zusammen eine Umlenkung besagten einfallenden Lichtstrahls ergeben, die nachteiligen
Veränderungen der Strahllage reduzieren lassen, wenn beide Reflexionsflächen fest miteinander verbunden sind und dadurch immer gemeinsam gekippt werden.
Die Soll-Filterebene bezeichnet eine Ebene, in der sich der Verlaufsfilter im Idealfall mit seiner größten Ausdehnung erstreckt, während die Ist-Filterebene eine Ebene mit einer aktuellen Lage bezeichnet, in der sich der Verlaufsfilter aktuell mit seiner größten Ausdehnung erstreckt. Eine Winkelabweichung zwischen Soll-Filterebene und Ist-Filterebene wird als Kippwinkel ß bezeichnet.
Die Verlaufsfilteranordnung ist gegenüber dem Strahlengang des einfallenden Lichtstrahls ortsveränderlich. Seine Position entlang des Strahlengangs und/oder seine Winkellage bezüglich des Strahlengangs sind veränderlich.
In einer möglichen Ausführung der Verlaufsfilteranordnung ist der Verlaufsfilter auf einer
Seitenfläche eines Pentaprismas ausgebildet. Der Spiegel ist durch eine der anderen Seitenflächen des Pentaprismas gebildet. Ein Pentaprisma hat die Eigenschaft, dass der reflektierte Lichtstrahl immer um exakt 90° gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl abgelenkt wird, egal wie das
Pentaprisma verdreht wird. Es ist in einer weiteren Ausführung der Verlaufsfilteranordnung möglich, dass geeignete Prismen mit anderen Anzahlen von Seitenflächen als die eines Pentaprismas verwendet werden.
Weitere mögliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung sind derart ausgestaltet, dass der Strahlweg zwischen Verlaufsfilter und Spiegel nicht durch einen Körper verläuft. So können Verlaufsfilter und Spiegel relativ zueinander fest angeordnet sein und beispielsweise eine gemeinsame Basis besitzen.
Eine erfindungsgemäße Verlaufsfilteranordnung muss so gewählt sein, dass sich bei einer Kippung des Verlaufsfilters zumindest in einer Richtung der Ablenkungswinkel des reflektierten Lichtstrahls weniger ändert als die Winkeländerung des Verlaufsfilters selbst. Dies ist vorteilhaft durch ein Pentaprisma erreicht.
Vorteilhaft sind Ausführungen der Verlaufsfilteranordnung, bei denen der einfallende Lichtstrahl mit einem kleinen Einfallswinkel von beispielsweise 10° auf das Verlaufsfilter auftrifft. Der Einfallswinkel auf das Verlaufsfilter kann je nach Anforderungen an die Filtereigenschaften variieren. Beispielsweise haben sich 10° als guter Kompromiss zwischen Filtereigenschaften, die bei einem Einfallswinkel von 0° am besten sind, und einer Trennung von einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl erwiesen. Die winkelstabilisierenden Eigenschaften eines Pentaprismas bleiben von den Einfallswinkeln unberührt.
Um eine aufgrund der Prismenwirkung mögliche auftretende Ablenkung des transmittierten Lichtstrahls auszugleichen, ist in einer möglichen Ausführung der Verlaufsfilteranordnung dem Verlaufsfilter auf oder nach seiner dem Spiegel abgewandten Seitenfläche ein optisches
Ausgleichselement nachgeordnet. Das Ausgleichselement kann beispielsweise als ein Prisma ausgebildet sein.
Der Spiegel kann als eine reflektiv wirkende Beschichtung einer Oberfläche sowie durch die
Grenzfläche einer der Seitenflächen eines Prismas ausgebildet sein. In einer weiteren
Ausführungsmöglichkeit der Verlaufsfilteranordnung ist der Spiegel als ein Retroreflektor, beispielsweise als ein Tripelspiegel oder ein sogenanntes Katzenauge ausgebildet.
Die Verlaufsfilteranordnung kann in weiteren Ausführungen derart ausgebildet sein, dass das einfallende Bündel der Lichtstrahlen von dem Verlaufsfilter auf den Spiegel reflektiert und von diesem zurück auf den Verlaufsfilter reflektiert ist beziehungsweise reflektierbar ist.
Das Verlaufsfilter, der beispielsweise als ein Hauptfarbteiler eines Mikroskops ausgebildet ist, wird in diesen Ausführungsformen zweimal von dem Beleuchtungslicht getroffen, bevor er beispielsweise in einen Strahlengang des Mikroskops abgelenkt wird. Infolge dieser Doppelnutzung kompensiert sich ein Fehler der Strahllage von selbst. Durch eine zweite Reflektion an einem mit Lagetoleranzen behaftetem Bauteil wird der Winkelfehler einer ersten Reflektion kompensiert.
Das Beleuchtungslicht dient vorteilhaft als Anregungslicht. Dabei kann mittels des Anregungslichts die Emission einer Fluoreszenzstrahlung angeregt werden und/oder Anteile des eine Probe beaufschlagenden Anregungslichts werden als Reflexionslicht reflektiert. Fluoreszenzstrahlung und/oder Reflexionslicht sind als Detektionsstrahlung erfassbar.
Eventuell verbleibende Restfehler in Form von Winkelfehlern senkrecht zur Auslenkung des
Verlaufsfilters und geringe Lateralversätze des reflektierten Lichtstrahls werden durch die
Doppelnutzung des Verlaufsfilters als Reflexionsfläche kompensiert. Zwischen dem Verlaufsfilter und dem Spiegel kann mindestens eine optische Linse angeordnet sein, um die von dem Verlaufsfilter reflektierten Lichtstrahlen und/oder die wieder von dem Spiegel auf den Verlaufsfilter zurück reflektierten Lichtstrahlen zu formen, beispielsweise zu bündeln oder zu fokussieren.
Die Verlaufsfilteranordnung kann entlang einer Achse verschiebbar ausgebildet sein. Dazu kann die Verlaufsfilteranordnung einen entlang der Achse verschiebbaren Schlitten umfassen.
Die Verlaufsfilteranordnung kann Teil einer optischen Anordnung sein. Vorteilhaft ist die
Verlaufsfilteranordnung Teil eines Mikroskops, beispielsweise eines Laser Scanning-Mikroskops.
Vorteilhaft kann die Verlaufsfilteranordnung verwandt werden, um einen Winkelfehler zwischen der Soll-Filterebene und der durch die Hauptebene des Verlaufsfilters gegebenen Ist-Filterebene zu reduzieren oder gar zu kompensieren.
Eine solche Kompensationsmöglichkeit bietet großes Potenzial zur Erhöhung der Effizienz abbildender Systeme. Ein Beispiel ist die Einkopplung eines reflektierten Lichtstrahls in eine Glasfaser mit z. B. einem Kerndurchmesser von 100 μιτι. Bei typischen Brennweiten einer Einkoppellinse von 5 mm verschiebt sich der Fokuspunkt hinter der Einkoppellinse bei einer Winkeländerung des reflektierten Lichtstrahls von 0,1°, also bei einer Verkippung des Verlaufsfilters von 0,05° bereits um rund 10 μιτι, was bereits merkliche Einkoppelverluste nach sich zöge.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Strahlenverlaufs an einem Verlaufsfilter (Stand der Technik),
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung im Querschnitt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung im Querschnitt,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung im Querschnitt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung im Querschnitt,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung in einer perspektivischen Ansicht und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Verlaufsfilteranordnung.
In den schematisch dargestellten Abbildungen der Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche technische Elemente. Der in Fig 1 dargestellte Strahlenverlauf an einem Verlaufsfilter 2 liegt im Wesentlichen in einer XZ- Ebene XZ eines kartesischen Koordinatensystems mit einer X-Achse X, einer Y-Achse Y und einer Z- Achse Z.
In einem in der Fig. 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Verlaufsfilteranordnung 1 ist ein Pentaprisma 10 vorhanden, das in einer seitlichen Darstellung gezeigt ist und das erste bis fünften Seitenflächen 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 und 10.5 aufweist. Das Verlaufsfilter 2 ist auf der zweiten Seitenfläche 10.2 aufgebracht. Die vierte Seitenfläche 10.4 ist verspiegelt und fungiert als Spiegel 4. Die Ebene der zweiten Seitenfläche 10.2 fällt mit einer Filterebene 2.1 zusammen, die einer Ist- Filterebene des Verlaufsfilters 2 entspricht und in der sich das Verlaufsfilter 2 erstreckt. Die vierte Seitenfläche 10.4 fällt mit einer Spiegelebene 4.1 zusammen. Im unverkippten Zustand des
Verlaufsfilters 2 fallen Soll-Filterebene und Ist-Filterebene 2.1 zusammen.
Die Verlaufsfilteranordnung 1 ist in den Ausführungsbeispielen schematisch als Teil einer optischen Anordnung 16, insbesondere eines Mikroskops 16 dargestellt.
Ein einfallender Lichtstrahl 6 eines Beleuchtungslichts tritt durch die fünften Seitenfläche 10.5 in das Pentaprisma 10 ein und wird an der Filterebene 2.1 durch Wirkung des Verlaufsfilters 2 anteilig reflektiert.
Ein nicht reflektierter Anteil des Lichtstrahls 6 tritt durch das Verlaufsfilter 2 und breitet sich als transmittierter Lichtstrahl 8 aus.
Der reflektierte Anteil des Lichtstrahls 6 wird an der Spiegelebene 4.1 erneut reflektiert und tritt als ein reflektierter Lichtstrahl 7 aus der ersten Seitenfläche 10.1 aus.
Der einfallende Lichtstrahl 6 und der reflektierte Lichtstrahl 7 schließen den Ablenkwinkel α ein.
Sollte die Verlaufsfilteranordnung 1 beispielsweise um den schematisch und aus Gründen der besseren Anschaulichkeit überdimensioniert gezeigten Kippwinkel ß um die Y-Achse Y gekippt werden, bleibt der Ablenkwinkel α durch Wirkung der zweifachen Reflexion zwischen Verlaufsfilter 2 und Spiegel 4 bei gleichzeitiger fester Relativlage von Verlaufsfilter 2 und Spiegel 4 konstant.
In einem in Fig. 3 zweiten Ausführungsbeispiel der Verlaufsfilteranordnung 1 ist ein Pentaprisma 10 mit einer gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel veränderten Form vorhanden. Bei einer Kippbewegung um die Y-Achse Y und mit dem Kippwinkel ß bleibt der Ablenkwinkel α konstant.
Statt eines Pentaprismas 10 ist in einem dritten Ausführungsbeispiel eine L- oder U-förmige
Verlaufsfilteranordnung 1 dargestellt (Fig. 4). Der Verlaufsfilter 2 ist auf einer Oberfläche des Trägers 3 ausgebildet. Der Träger 3 steht mittels eines Spiegelfußes 12 mit dem Spiegel 4 in einer starren Verbindung. Der Spiegel 4 ist auf einer geneigten planen Oberfläche des Spiegelfußes 12 als eine reflektierende Schicht ausgebildet. Infolge der starren Verbindung von Verlaufsfilter 2 mit Träger 3 und Spiegel 4 sind diese zueinander fest und relativ so zueinander ausgerichtet, dass ein unter einem Einfallswinkel entlang des Strahlengangs einfallendes Bündel von Lichtstrahlen 6 mindestens anteilig zwischen dem Verlaufsfilter 2 und dem Spiegel 4 reflektiert ist, sodass es zu einer zweifachen Umlenkung des einfallenden Lichtstrahls 6 durch die Verlaufsfilteranordnung 1 kommt. Zwischen dem Verlaufsfilter 2 und dem Spiegel 4 ist der reflektierte Lichtstrahl 7 als Freistrahl geführt. Die Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Verlaufsfilteranordnung 1. Diese ist als
Pentaprisma 10 ausgebildet und mittels Befestigungselementen 14 auf einem Schlitten 15 montiert, mittels dem die Verlaufsfilteranordnung 1 entlang der X-Achse X verschiebbar ist.
Der Verlaufsfilter 2 wird in eine Bildebene beispielsweise eines Mikroskops 16 hinein verschoben, um andere Stellen auf dem Verlaufsfilter 2 zu treffen. Aufgrund der optischen Eigenschaften des Pentaprismas 10 wird der reflektierte Lichtstrahl 7 immer um einen Ablenkwinkel α von 90° gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl 6 abgelenkt, unabhängig von dem Kippwinkel ß.
Wenn also durch das Verschieben des Schlittens 15 mit der Verlaufsfilteranordnung 1 in Richtung der Y-Achse Y ungewollt verkippt wird, führt dies zu keiner Änderung des Ablenkwinkels α und des reflektierten Lichtstrahls 7. Kippbewegungen um die in der Fig. 5 waagerecht dargestellte X-Achse X führen zwar noch zu Änderungen des Ablenkwinkels α (siehe Fig. 2 bis 4), jedoch sind diese wegen der üblicherweise relativ großen Baulänge des Schlittens 15 geringer als Kippbewegungen um die Z- Achse Z Die Änderungen des Ablenkwinkels α sind bei einer Kippbewegungen um die X-Achse X nur exakt genauso groß wie die mechanischen Lageänderungen.
Um eine Ablenkung des transmittierten Lichtstrahls 8 zu kompensieren, ist in dem Strahlengang des transmittierten Lichtstrahls 8 ein Ausgleichselement 11 in Form eines weiteren Prisma mit auf dem Schlitten 15 befestigt, so dass sich Verlaufsfilteranordnung 1 und Ausgleichselement 11 gemeinsam bewegen und gegebenenfalls auch gemeinsam verkippt werden. Auf diese Weise verläuft der transmittierte Lichtstrahl 8 immer mit einem konstanten Winkel, also in die gleiche Richtung.
In dem in Fig. 6 perspektivisch dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der
Verlaufsfilteranordnung 1 ist ausschnittsweise und schematisch ein Mikroskop 16 mit einer
Verlaufsfilteranordnung 1 gezeigt.
In einem typischen als Laser Scanning Mikroskop (LSM) ausgebildeten Mikroskop 16 gibt es als ein zentrales Funktionselement einen auch als Hauptfarbteiler bezeichneten Verlaufsfilter 2, der einen Detektionsstrahlengang 9 von einem Anregungsstrahlengang 5 trennt, die beide durch Pfeile symbolisiert sind. Dabei wird ein Bündel einfallender Lichtstrahlen 6 am Verlaufsfilter 2 reflektiert, durch Wirkung des Spiegels 4 sowie des Verlaufsfilters 2 umgelenkt und als reflektierter Lichtstrahl 7 entlang des Anregungsstrahlengangs 5 auf eine Probe (nicht dargestellt) gelenkt.
Von der Probe gelangt das in der Wellenlänge verschobene Fluoreszenzsignal als Detektionslicht durch das Mikroskop 16 wieder auf das Verlaufsfilter 2 und wird dort nun aufgrund der größeren Wellenlänge transmittiert (transmittierter Lichtstrahl 8).
Im weiteren Verlauf des Detektionsstrahlenganges 9 gelangt das Licht des transmittierten
Lichtstrahls 8 beispielsweise auf ein Pinhole oder auf einen Airy-Scan Detektor (beide nicht gezeigt). Lagetoleranzen des Verlaufsfilters 2 wirken sich auf den reflektierten Lichtstrahl 7 aus. Das hat zur Folge, dass nach einer Änderung des Kippwinkels ß eine leicht andere Stelle in der Probe getroffen wird als vor der Änderung. Detektionslicht der Auftreffstelle wird detektionsseitig versetzt in die Pinhole-Ebene abgebildet und verfehlt das Pinhole, was einen Signalverlust bedingt.
Das Bündel einfallender Lichtstrahl 6 wird durch den Verlaufsfilter 2 auf den Spiegel 4 reflektiert und gelangt von diesem wiederum zu dem Verlaufsfilter 2 zurück. Das Licht des nun zweimal von dem Verlaufsfilter 2 reflektierten Lichtstrahls 7 wird entlang des Anregungsstrahlengangs 5 auf die Probe gerichtet. Von der Probe erhaltenes Detektionslicht trifft auf dem Verlaufsfilter 2 auf und wird aufgrund seiner veränderten Wellenlänge, für die der Verlaufsfilter 2 transparent ist, als
transmittierter Lichtstrahl 8 entlang des Detektionsstrahlengangs 9 geführt.
In der vorliegenden Ausführung der Verlaufsfilteranordnung 1 kompensieren sich alle Winkelfehler exakt. Zur Vermeidung eines Lateralversatzes wird das Verlaufsfilter 2 auf sich selbst abgebildet. Zur Detektion wird das Verlaufsfilter 2 in einfachem Durchgang benutzt, so dass keine Nachteile gegenüber dem Stand der Technik entstehen.
Die bisher im Stand der Technik genutzte Lösung unter Verwendung eines Justierspiegels im
Anregungsstrahlengang 5, mittels dem bei Bedarf eine jeweilige Abweichung von Ist- und Soll- Filterebene kompensiert wird, ist bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen
Verlaufsfilteranordnung 1 nicht erforderlich. Damit kann bei einer Lageänderung der des
Verlaufsfilters 2 vorteilhaft ein Nachführen des Justierspiegels entfallen. Eine Wechselmechanik für das Verlaufsfilter 2 kann vorteilhaft einfacher ausgeführt werden.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist in der Fig. 7 dargestellt, wobei im Gegensatz zu dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel keine Abbildung des Verlaufsfilters 2 auf sich selbst erfolgt. Dafür ist allerdings zur Umlenkung des einfallenden Lichtstrahls 6 ein Retroreflektor als Spiegel 4 angeordnet, damit der am Verlaufsfilter 2 reflektierte Lichtstrahl 7 ohne Winkeländerung zurückreflektiert werden kann. Der Strahlweg des Bündels reflektierter Lichtstrahlen 7 in oder auf dem Spiegel 4 ist nicht dargestellt.
Bezugszeichen
1 Verlaufsfilteranordnung
2 Verlaufsfilter 2.1 Ist-Filterebene
3 Träger
4 Spiegel
4.1 Spiegelebene
5 Anregungsstrahlengang
6 einfallender Lichtstrahl
7 reflektierter Lichtstrahl
8 transmittierter Lichtstrahl
9 Detektionsstrahlengang
10 Pentaprisma
10.1 erste Seitenfläche
10.2 zweite Seitenfläche 10.3 dritte Seitenfläche
10.4 vierte Seitenfläche
10.5 fünfte Seitenfläche
11 Ausgleichselement
12 Spiegelfuß
13 optische Linse
14 Befestigungselement
15 Schlitten
16 optische Anordnung/Mikroskop X X-Achse
Y Y-Achse
Z Z-Achse
α Ablenkwinkel
ß Kippwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Verlaufsfilteranordnung (1) umfassend einen bezüglich eines Strahlengangs ortsveränderlichen Verlaufsfilter (2), der in einer Soll-Filterebene vorgesehen ist, und einen Spiegel (4) in einer Spiegelebene (4.1),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spiegelebene (4.1) und die Soll-Filterebene zueinander fest und relativ so zueinander ausgerichtet sind, dass ein unter einem Einfallswinkel entlang des Strahlengangs einfallendes Bündel von Lichtstrahlen (6) mindestens anteilig zwischen dem Verlaufsfilter (2) und dem
Spiegel (4) reflektiert ist, sodass es zu einer mindestens zweifachen Umlenkung des einfallenden Lichtstrahls (6) durch die Verlaufsfilteranordnung (1) kommt und
der reflektierte Lichtstrahl (7) als ein Bündel von Lichtstrahlen unter einem Ablenkwinkel (a) aus der Verlaufsfilteranordnung (1) reflektiert ist, wobei ein vorhandener Winkelfehler in Form eines Kippwinkels (ß) zwischen der Soll-Filterebene und einer durch die aktuelle Lage der Hauptebene des Verlaufsfilters (2) gegebenen Ist-Filterebene (2.1) infolge der mindestens zweimaligen Umlenkung reduziert ist und der Ablenkwinkel (a) konstant bleibt.
2. Verlaufsfilteranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (4) als ein etroreflektor ausgebildet ist.
3. Verlaufsfilteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das einfallende Bündel der Lichtstrahlen (6) von dem Verlaufsfilter (2) auf den Spiegel (4) reflektiert und von diesem zurück auf den Verlaufsfilter (2) reflektiert ist beziehungsweise reflektierbar ist.
4. Verlaufsfilteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verlaufsfilter (2) und Spiegel (4) eine optische Linse (13) angeordnet ist.
5. Verlaufsfilteranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsfilter (2) auf einer Seitenfläche (10.1 bis 10.5) eines Pentaprismas (10) ausgebildet ist und der Spiegel (4) durch eine der anderen Seitenflächen (10.1 bis 10.5) des Pentaprismas (10) gebildet ist.
6. Verlaufsfilteranordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verlaufsfilter (2) auf seiner dem Spiegel (4) abgewandten Seitenfläche ein optisches Ausgleichselement (11) nachgeordnet ist.
7. Verlaufsfilteranordnung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Ausgleichselement (11) als ein Prisma ausgebildet ist.
8. Verlaufsfilteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese entlang einer Achse (X) verschiebbar ausgebildet ist.
9. Verlaufsfilteranordnung (1) nach Anspruch 8, umfassend einen entlang der Achse (X)
verschiebbaren Schlitten (15). lO.Optische Anordnung (16) umfassend eine Verlaufsfilteranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verwendung einer Verlaufsfilteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Reduzierung der optischen Wirkung eines Kippwinkels (ß) zwischen einer Soll-Filterebene und einer durch die Hauptebene eines Verlaufsfilters (2) gegebenen Ist-Filterebene (2.1).
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