WO2018073170A1 - Vorrichtung zur strahlmanipulation für ein scanning-mikroskop und mikroskop - Google Patents

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    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements

Definitions

  • the present invention relates, in a first aspect, to a device for beam manipulation for a scanning microscope according to the preamble of claim 1. In a second aspect, the invention relates to a microscope.
  • a generic device is described in DE 10 2014 017 003 A1 and has the following components: a main color splitter for coupling excitation light into an illumination beam path and for separating excitation light from detection light of a detection beam path and a scanner, preferably positioned in a pillar plane, for scanning of the excitation light.
  • DE 10 2014 017 003 A1 describes a possibility to manipulate a pupil in a separate optical path with an adaptive mirror if necessary.
  • the switchable optics requires a freely accessible pupil level, which must be kept constantly.
  • DE 10 2006 045 839 A1 likewise describes a possibility for manipulation in a pupil plane. There is the required optics but not switched on or off. It is always required in the beam path.
  • an object of the invention can be considered to provide a light-efficient and compact apparatus for beam manipulation, which can be used particularly versatile.
  • the device of the type specified above is further developed in that an additional optical path is present with optical elements that influence a beam path, that at least one pupil plane and / or at least one intermediate image plane in the additional optical path through the optical elements influencing the beam path
  • An adjustable selection device is provided for activating either a first beam section of the illumination and / or detection beam path or the additional optical path, wherein the first beam section of the illumination and / or detection beam path does not include a pupil plane of the illumination and / or detection beam path.
  • the device according to the invention is particularly suitable for a confocal scanning microscope and / or for a laser scanning microscope. Also claimed is a microscope with a device according to the invention for beam manipulation, which also has at least the following components: at least one microscope objective and a detector device for detecting detection light emitted by a sample, wherein the pupil planes of the additional optical path are in planes leading to a pupil plane of the microscope objective are optically conjugate.
  • the additional optical path is designed so that it can be inserted in principle at any location in the illumination beam path or detection beam path of a microscope.
  • the essential idea of the invention which relates to the positioning of the selection device, can also be described in that the selection device is positioned outside of pupil planes of the stationary or descanned illumination or detection beam path.
  • the selection device activates either the additional optical path or a first beam section of the illumination and / or detection beam path. By activating is meant that the respective part of the beam path flows through in the activated state of illumination and / or detection light and in the non-activated state is accordingly not flowed through by illumination and / or detection light.
  • elements for manipulating the wavefront of the light for example adaptive elements and in particular reflective adaptive elements, can very conveniently be used, depending on the application.
  • the illumination and / or detection beam path if the additional optical path is activated via just this additional optical path and the additional pupil or the additional pupil or intermediate image planes. No illumination and / or detection light then flows through the first beam section. In the other case, illumination and / or detection light flows through or over the first beam section when it is activated and then no light passes through the additional optical path. It is essential for the invention that the optical path which is replaced by the additional optical path when it is activated, namely the first beam section of the illumination and / or detection beam path, has no pupil.
  • the solution according to the invention can therefore be used independently of whether a freely accessible pupil plane is present at the respective microscope beam path or not.
  • the device according to the invention is therefore particularly versatile, in particular also applicable to already existing microscopes, without having to provide a freely accessible pupil plane.
  • Another advantage of the invention is that the optical effort, especially in the detection beam path, can be kept comparatively low. This is particularly important for fluorescence microscopy because the available photons must be detected there as efficiently as possible. In the beam path, therefore, only so many optical elements should be present as are necessary for the currently used functionality. This is what the invention does.
  • the invention provides a comparatively simple optics, with which a pupil engagement and / or an intermediate image engagement in a stationary beam of a microscope, in particular a laser scanning microscope can be switched on. In this case, remain when the pupil engagement and / or the insects is turned off, no unnecessary optical elements in the beam path.
  • the device according to the invention it is fundamentally possible that optionally only the excitation light or the detection light is influenced.
  • the device according to the invention can be part of a, in particular confocal, laser scanning microscope, wherein it can be arranged between scanning device on the one hand and main color splitters, laser source and, if appropriate, one pinhole on the other hand.
  • pupil planes are planes that are optically conjugate to a rear focal plane of a microscope objective in use in an operating state of the device according to the invention. Accordingly, as intermediate image planes in the context of this description, those planes are designated which are optically conjugate to a focal plane of a microscope objective in use, ie in general, ie when an object is positioned in the focal plane, to an object plane.
  • the selection device can also be referred to as a switchable element.
  • the scanning device can have a biaxially pivotable mirror. Such devices are known. Instead of a single scan mirror, multiple scan mirrors may also be present in conjugate planes and define a position, which is then imaged with a lens optic into the pupil plane.
  • the additional optical path is also referred to as the wavefront manipulation path and, if adaptive elements for influencing the wavefront are used, also as the adaptive path.
  • illumination light or detection light is understood to mean electromagnetic radiation which is typically used or occurs in microscopy.
  • the illumination light which may be particularly in the infrared, visible or ultraviolet spectral region, is typically provided by laser.
  • the microscope according to the invention is preferably a laser scanning microscope. The terms scanning and screening are used interchangeably in this description.
  • Devices which are positioned in an intermediate image plane and / or a pupil plane of the additional optical path and serve to manipulate the light, in particular with respect to its spatial distribution of intensity and / or phase, are also referred to as manipulation elements in the context of this description.
  • the decoupling and deflection of the detection beam path instead of the excitation light beam path and its influencing by at least one adaptive optical element in an additional pupil plane.
  • the selection device can be positioned, for example, in a collimated region of the illumination and / or detection beam path.
  • the first beam section is then a section of the collimated area of the illumination and / or detection beam path.
  • a significant advantage of the device according to the invention is that it can be positioned very flexibly. That is, with certain arrangements because of of the available installation space, it may be preferred that the selection device is positioned in a divergent or convergent region of the illumination and / or detection beam path. The first beam section is then a section of a divergent or convergent region of the illumination and / or detection beam path.
  • any desired optical planes can be influenced, that is also planes between a pupil and an image or intermediate image plane.
  • the selection device can therefore in principle be any type of beam-deflecting device which is suitable for switching over beam paths.
  • electro-optical components can also be used here. Mechanical means are particularly preferred for swiveling in and out and / or for pushing in or pushing out of the selection device into the illumination and / or detection beam path.
  • the selection device particularly preferably has a mirror, in particular a double mirror.
  • the mirror or double mirror can be adjustable, for example can be moved into the beam path and moved out of it.
  • This variant is structurally simple and works reliably.
  • the mirror can be pivoted and / or displaceable.
  • both the excitation light and the detection light can run over the additional optical path. This can be particularly advantageous for a quick focus. If the additional optical path is not required, the selection device is actuated accordingly, for example, the mirror simply swung out.
  • the selection device has at least one color splitter. This makes it possible to choose only incentives light in whole or in part and / or that the detection light is wholly or partly affected.
  • the selection device can have at least one dichroic beam splitter.
  • the exploitation of the polarization of the light is advantageous.
  • a polarization-dependent beam splitter light in a certain polarization can be guided over the device, while light of the orthogonal polarization direction does not pass over the device.
  • a property of polarizing layers can be made particularly useful by wavelength-dependent splitting of the s and p components. In this way it can be achieved, for example, that the excitation light is sent in each case one path depending on its polarization, while the emission light, which has a longer wavelength, is transmitted through the divider for both polarization directions.
  • a switching device for switching the illumination light on and off in particular an acousto-optical or an electro-optical switch, such as a Pockels cell, is present in the illumination beam path, in particular in front of the main color splitter the adjustable selection device is formed as a wavelength-dependent polarization filter.
  • the illumination beam path is divided into a plurality of partial beams, in which in the beam paths of the partial beams polarization-rotating elements for providing different polarizations of the partial beams are present, and in which a switching device, in particular a multiple AOTF exists for switching between one or more of the sub-beams.
  • a multi-beam arrangement is achieved in which there are beams with different polarization, between which can then be switched very quickly.
  • This can be achieved, for example, by dividing a laser beam in the illumination beam path into a plurality of sub-beams and then guiding these sub-beams through a multiple AOTF, wherein, for example, one of these sub-beams is located in the beam path.
  • a polarization-rotating element such as a half-wave plate (lambda half plate)
  • the AOTF one can then easily and quickly switch between these differently polarized partial beams, and thus between the manipulated and non-manipulated light patterns in the sample.
  • one subset of the sub-beams may be s-polarized and another sub-group may be p-polarized. It is then possible to switch between these subgroups, eg with a spatially multi-channel acousto-optic filter.
  • a further advantageous embodiment of the device according to the invention is characterized in that the selection device has at least one wavelength-dependent dichroic polarization filter.
  • the excitation light can be guided via the wavefront manipulation path, in order to obtain e.g. make a special beam shaping, or to defocus the excitation light with respect to the detection light. For example, a color longitudinal error correction at 405 nm can be made.
  • the detection light which has a larger wavelength than the excitation light in fluorescence, passes through the color splitter without passing through the adaptive optics and can therefore be detected highly efficiently.
  • this arrangement is expedient if you want to split the beam into several partial beams either at this point, but does not want to influence the emission light.
  • a microlens array could be introduced into the beam which guides the emission light resulting from the multiple focal points through a pinhole and to downstream detectors.
  • a further advantageous variant of the invention is characterized in that the
  • Selecting means comprising at least one wedge-shaped color splitter, that a front side of the wedge-shaped color splitter is adapted to reflect light having wavelengths that are greater or smaller than a first cut-off wavelength and that a back of the wedge-shaped color splitter is formed for reflecting light having wavelengths that are smaller or are larger than a second boundary wave length.
  • the first cutoff wavelength and the second cutoff wavelength are preferably different.
  • the selection device ie the switchable element
  • the switchable element is designed as a dichroic wedge and different divider layers are applied on the front side and the rear side, different locations on the manipulation element can be illuminated for different wavelengths. This is possible regardless of whether the manipulation element is in a pupil plane or an intermediate image plane. When the manipulation element is in an intermediate image plane, it is also said that the field is influenced or manipulated.
  • the separation of the wavelength ranges is dependent on a wedge angle and a focal length of the manipulation element associated optics.
  • the selection device in this example the wedge, can be positioned both in a collimated region and in a divergent or convergent region of the illumination beam path.
  • This is a decisive advantage, since the influence of the spatial phase of the light is strongly dependent on the wavelength of the light. In particular, this makes it possible to use dyes with a large Stokes shift, if both excitation and emission are to be manipulated.
  • a particularly variable adaptable to different tasks device can be achieved when an angular position of the selection device, in particular the double mirror or the color divider, is adjustable.
  • the selection device has a plurality of different color splitters and / or mirrors.
  • Such a device is particularly easy to handle, if the color divider and / or mirrors are arranged on a Generalerrad and optionally positioned in the illumination beam path.
  • the color divider and / or mirrors are arranged on a divider wheel, you can switch very different operating modes very quickly and easily.
  • Positional tolerances of the divisors play a subordinate Role, because the light is always reflected twice. Position errors compensate themselves automatically.
  • the optical elements influencing the beam path in the additional optical path it is fundamentally important for the light to be guided in the desired manner and for at least one pupil plane and / or at least one intermediate image plane to be formed.
  • the optical elements influencing the beam path have at least one lens group, in particular at least one lens.
  • a position of a beam engagement, in particular a reflection engagement, of the selection device lies outside an optical axis of the at least one lens group.
  • the optical elements influencing the beam path can have at least one mirror.
  • This device can be realized with a comparatively small size.
  • a first lens group and a second lens group are present in the additional optical path.
  • a first pupil plane and a second pupil plane can then be formed.
  • the first lens group and / or the second lens group may consist of one, in particular color-corrected, lens.
  • a focal length of the first lens group differs from a focal length of the second lens group.
  • a size of the pupil can then be adjusted in a targeted manner.
  • This can be expedient in order to adapt the size of the pupil to a specific available manipulation element, for example a specific spatial light modulator (Spatial Light Modulator, SLM).
  • SLM Spatial Light Modulator
  • the first lens group and the second lens group may be positioned relative to one another such that an optical axis of the first lens group coincides with an optical axis of the second lens group.
  • the at least one lens group in particular the first lens group and the second lens group, are passed through by the excitation light twice, in particular in opposite directions. Odd aberrations, such as distortion and coma, can be compensated by optics in a double pass.
  • liquid crystal-based adaptive elements transmitting in one of the additional pupils can be used as manipulation elements. Because of their shorter response time in the control reflective adaptive elements are often used, for example in the form of membrane mirrors, in which a highly flexible membrane is deformed by means of piezoelectric elements or by electrostatic forces. Likewise, in particular micromirror arrays can be used.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • DMD Digital Mirror Devices
  • MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems
  • an SLM Surface Light Modulator
  • DMD Digital Mirror Device
  • MEMS Micro Electro-Mechanical Systems
  • a Damann grid may be positioned in at least one of the additional pupil planes and / or an additional intermediate image plane.
  • an intermediate image plane is formed in the additional optical path and that a manipulation element is positioned in the intermediate image plane.
  • a, in particular transmissive, device for light modulation may be present in the intermediate image plane. This device may be, for example, a phase grating for structured illumination.
  • an intermediate image plane can also be formed in the additional optical path, in which an adaptive element, in particular an SLM, is positioned for beam shaping of the excitation light. For example, with a multi-spotlighting, certain spots can be faded in or out.
  • an adaptive element in particular an SLM
  • At least one multiline arrangement is positioned in the illumination beam path and / or in a detection beam path, in particular in the additional optical path.
  • arrangements can thereby be made in which one and the same detection pinhole is used for the detection light originating from the different illuminated sample locations.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • LCoS Liquid Crystal on Silicon
  • a first pupil plane and a second pupil plane are formed in the additional optical path, wherein a first spatial light modulator is arranged in the first pupil plane and a second spatial light modulator is arranged in the second pupil plane.
  • the device thus generates two pupils, which can be designed such that an SLM can be placed in each of the two pupils.
  • an effective axis of the first spatial light modulator (SLM) relative to a polarization direction of light in the illumination beam path and / or the detection beam path may be at an angle other than 90 degrees relative to an effective axis of the second spatial light modulator (SLM) be arranged.
  • the two SLMs are therefore used rotated 90 degrees to each other with respect to their effective axis.
  • a polarization rotator may also be present in front of the first spatial light modulator (SLM) or in front of the second spatial light modulator (SLM) for rotating a polarization direction of the light in the illumination beam path and / or the detection beam path.
  • SLM spatial light modulator
  • SLM second spatial light modulator
  • wave plates in particular lambda half plates
  • a device for polarization-dependent separation of the illumination beam path and / or the detection beam path is present in the additional optical path, and optical means are also provided for guiding the separated components of light the illumination beam path and / or the detection beam path with different polarization on two different spatial light modulators or on different areas of one and the same spatial light modulator in a pupil plane in the additional opti- see route.
  • the selection device for the polarization-dependent separation of the illumination beam path and / or the detection beam path can be set up.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of a device according to the invention
  • Figure 2 is a schematic view of a second embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of a third exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a first schematic view of a fourth exemplary embodiment of a device according to the invention.
  • Figure 5 a second schematic view of the embodiment of FIG.
  • FIG. 6 shows a schematic view of a detail of the exemplary embodiment
  • FIG. 4 A first embodiment of a device 100 according to the invention for beam manipulation for a scanning microscope will be explained with reference to FIG. Identical and equivalent components are generally identified in the figures with the same reference numerals.
  • the device 100 shown schematically in FIG. 1 has as essential components first a main color divider 12, an illumination beam path 13 and a scanner 30.
  • the main color splitter 12 is used for coupling excitation light 10 into the illumination beam path 13 and for separating excitation light 10 and detection light 50.
  • the scanner which is preferably positioned in a pupil plane, serves in a basically known manner for scanning the excitation light 10.
  • an additional optical path 40 is present with optical elements 14, 16, 71, 18, 22, 72, which influence a beam path and in consequence in detail.
  • optical elements 14, 16, 71, 18, 22, 72 influencing the beam path 13 according to the invention a first pupil plane 20 and a second pupil plane 24 are formed.
  • an adjustable selection device 16 is provided for connecting or disconnecting the additional optical path 40, wherein the selection device 16 is positioned outside of pupil planes of the illumination beam path 13.
  • the selection device 16 is a double mirror, which can be pulled out of the beam path by means of a mechanism, not shown.
  • the additional optical path 40 is switched off and both excitation light 10 and detection light 50 coming back from the scanner 30 travel directly between the main color splitter 12 and the scanner (via a lens 14).
  • the optical elements influencing the beam path 13 include, in the sequence of the beam path of the excitation light 10, which is illustrated by arrows in FIG. 1, first a lens 14 for collimating the excitation light 10. The excitation light 10 then strikes a front side of the double mirror 16 and is illuminated by there deflected transversely upwards in the direction of a first pupil plane 20.
  • a first reflective manipulation element 71 is positioned, which may be, for example, an SLM, for targeted manipulation of the excitation light 10. For example, certain desired beam profiles of the PSF may be adjusted.
  • the excitation light 10 is reflected and passes, still as a collimated bundle, on the lens 18.
  • the lens 18 directs the excitation light 10 on a first beam path 41 of the additional optical path 40 to a lens 22.
  • the optical axes the lenses 18 and 22 coincide, as shown in Fig. 1, together.
  • the lens 22 again collimates the incident excitation light 10 and redirects it to another pupil plane 24 in which a reflective manipulation element 72 may also be positioned, such as an SLM. In the further pupil level 24, further desired manipulations of the 10 are made.
  • the excitation light 10 is reflected back by the reflective manipulation element 72 in the direction of the lens 22 and guided by this on a second beam path 42 of the additional optical path 40 to the lens 18.
  • both the first beam path 41 and the second beam path 42 are outside the optical axes of the lenses 18 and 22.
  • a reflective manipulation element such as an SLM
  • a simple mirror may also be arranged in the first pupil plane 20 and a reflective manipulation element, such as an SLM, may be disposed in the further pupil plane.
  • a reflective manipulation element such as an SLM
  • the reverse arrangement is possible, that is, a reflective manipulation element, such as an SLM, in the first pupil plane and a simple mirror in the further pupil plane.
  • the lens 18 again collimates the excitation light 10 coming from the lens 22 and directs it to a rear side of the double mirror 16. From here, the excitation light 10 is finally directed in the direction of the scanner 30 and from there in the direction of a microscope not shown in FIG.
  • intermediate image planes are also formed between the lenses 18 and 22, which, however, are not used in this embodiment variant.
  • the detection light 50 coming from the microscope can take the same optical path as the excitation light 10 in the opposite direction. Only at the main color splitter 12, if the detection light 50 has a different wavelength, separation would take place.
  • the selection device 16 is a color splitter which, for example, reflects excitation light 10 both with the front side and with the rear side, but transmits detection light 50 on the front side and rear side. The path of the excitation light 10 then remains unchanged, but the detection light 50, transmitted from the scanner 30, is transmitted through the selector 16 and passes directly to a detection pinhole 52 via the main color splitter 12.
  • the first manipulating, in particular adaptive optical element 71 and / or the second adaptive optical element 72 is or are designed to be reflective by way of example and can be used for the axial positioning (z-positioning) of the laser spots with respect to the optical axis and for compensation of image aberrations at the respective x, y, z position of the laser spots in the sample. It may for this purpose have a membrane with, for example, radially symmetrical deformable mirror surface and may be connected to a control device (not shown in the drawing), which in turn with a controller for specifying a temporally and spatially defined sequence of x, y, z positions of the laser spot in Connection stands.
  • the drive device can preferably be coupled to a measuring device for detecting system and object-related aberrations at the respective x, y, z positions, which is equipped with a wavefront sensor.
  • the control device in which control of the image aberration compensation takes place on the basis of previously stored system-related error data, the control device is connected to an actual value memory for image errors at specific x, y, z positions (not shown in the drawing).
  • a switchable color divider 16 or a mirror can be located in the beam path.
  • the excitation light 10 then takes the path shown in FIG. 1 and described above. If the selector 16 (as in the case of the double mirror) is not in the beam path or (as in the case of a color splitter) does not work, the light does not pass through the adaptive path, ie the additional optical path 40, but just straight through.
  • FIG. 1 is also distinguished by the fact that two additional pillar levels 20, 24 are formed in the additional optical path 40.
  • the size of the pupil in the pupil plane 24 can be adjusted by the ratio of the focal lengths of the lenses 18 and 22.
  • the polarization components of the detection light can be separated with the selection device 16 in FIG. 1, so that both polarization components components to different spatial areas of one and the same SLM (SLM Spatial Light Modulator) in the pupil 24/72 arrive.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • One of the polarization components is previously rotated by 90 °, for example with a half-wave plate.
  • both polarization components can ultimately be influenced by the same SLM.
  • FIGS. 2 to 6 Variants of the device 100 according to the invention are illustrated below with reference to FIGS. 2 to 6, wherein the differences are explained essentially, and components and modes of action that are the same as in FIG. 1 will not be described again.
  • a second exemplary embodiment of a beam manipulation device 100 according to the invention for a scanning microscope will be explained with reference to FIG.
  • the lens 22 is replaced by two reflective elements 25 and 26.
  • the two reflective elements 25 and 26 which may also be referred to as deflection mirrors
  • one may be positioned in an intermediate image plane and may be formed as an adaptive mirror with which beam shaping, for example the excitation light 10, is possible.
  • an intermediate image plane 27 is formed symmetrically between the two reflective elements 25 and 26.
  • a transmissive manipulation unit for example a phase mask for structured illumination, can be positioned.
  • the first beam section is part of the divergent beam path between the lens 14 and the scanning mirror 30, which is displaced from the mirror 16 when it is pushed into the beam path, ie is not traversed. It can be seen directly from FIGS. 1 and 2 that there is no pupil in this part of the beam path.
  • a third embodiment of a device 100 according to the invention for beam manipulation for a scanning microscope will be explained with reference to FIG.
  • the selection device 16 for example a color splitter
  • the selection device 16 in comparison to Figure 1 also relative to the lenses 18, 22 different, namely between these lenses 18, 22 are arranged. This can be advantageous, depending on the space available.
  • a lens 29 is additionally present between the scanner 30 and the selection device 16.
  • this embodiment shows an application for a multi-spot operation in which a certain field is propagated through the device. In the process, the detection light 50 finally falls onto a multiple pinhole 54 or onto a planar pixelated sensor (SPAD array or the like).
  • the selection device is formed by a color splitter wedge 60 with certain properties.
  • the color splitter wedge 60 shown schematically in Figure 6, has a front surface 61 adapted to reflect light having wavelengths less than a first cut-off wavelength.
  • the color divider wedge 60 has a backside 62 adapted to reflect light having wavelengths greater than a second cut-off wavelength.
  • the second cutoff wavelength should be greater than the first cutoff wavelength.
  • the reverse case is also conceivable.
  • FIG. 4 shows a beam path for excitation light 10 coming from the main beam splitter 12. In the example, this is to be reflected only at the front side 61 of the color splitter wedge 60, but to be transmitted from the rear side 62. The excitation light 10 then takes the path 64 shown in Fig.
  • the detection light 50 then takes the path 66 shown in FIG. 5.
  • the essential reason for the different paths is the respective different reflection angle for the front 61 and the back 62 of the color splitter wedge 60, as indicated by the wedge shape 5, the detection light 50 impinges on the pupil planes 20, 24 at different locations in comparison to the excitation light 10 and can therefore be manipulated differently with the location-dependent manipulation means (eg SLMs) located there.
  • Another useful aspect of the invention relates to the utilization of light polarization at the position of the selector 16, eg in FIG.
  • the excitation light is usually very well polarized, while the emission light from the sample has no preferred polarization.
  • An important application now is that the excitation light should be passed over the SLM for manipulation purposes, for example, to generate a particular dot pattern in the sample. Now, however, should be switched back to the imaging very quickly. This is possible, for example, by introducing an electro-optical switch, such as a Pockels cell, into the illumination beam path (for example into the path 10). A fast switch then allows to switch the different paths and thus the modes in the range of less than one millisecond. It is particularly advantageous if at this point 16 an element is introduced, which is actually a dichroic beam splitter with a defined edge function. It is known that the s and p polarized parts behave differently in these dichroic beam splitters. As an example, such a dichroic beam splitter with a defined edge function can have the following specifications:
  • Ts (x) is the transmission coefficient of the s-polarization radiation having a wavelength x.
  • Tp (x) is the transmission coefficient of the p-polarization radiation having a wavelength x.
  • the wedge 60 can also be designed so that the front and the back reflect the different polarization components under a different angle, which, in analogy with the color wedge 60, causes the polarization components to have different spatial regions of the SLM. After the wavefront interference by the SLM, the components can not be reunited without losses.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop mit einem Hauptfarbteiler zum Einkoppeln von Anregungslicht in einen Beleuchtungsstrahlengang und zum Trennen von Anregungslicht von Detektionslicht eines Detektionsstrahlengangs, mit einem, bevorzugt in einer Pupillenebene positionierten Scanner zum Rastern des Anregungslichts. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche optische Strecke vorhanden ist mit optischen Elementen, die einen Strahlengang beeinflussen, dass durch die den Strahlengang beeinflussenden optischen Elemente mindestens eine Pupillenebene und/oder mindestens eine Zwischenbildebene in der zusätzlichen optischen Strecke gebildet ist, dass eine verstellbare Auswahleinrichtung vorhanden ist zum Aktivieren entweder eines ersten Strahlabschnitts des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs oder der zusätzlichen optischen Strecke, wobei der erste Strahlabschnitt des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs keine Pupillenebene des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs enthält.

Description

Vorrichtung zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop und Mikroskop
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt eine Vorrichtung zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop nach dem Oberbegriff des An- Spruchs 1 . In einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Mikroskop.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist in DE 10 2014 017 003 A1 beschrieben und weist folgende Komponenten auf: einen Hauptfarbteiler zum Einkoppeln von Anregungslicht in einen Beleuchtungsstrahlengang und zum Trennen von Anregungslicht von Detektionslicht eines Detektionsstrahlengangs und einen, bevorzugt in einer Pu- pillenebene positionierten, Scanner zum Rastern des Anregungslichts.
In der Laser-Scanning-Mikroskopie besteht der Bedarf, die Pupille im ruhenden Strahl zu manipulieren. Damit können dreidimensionale Scanpfade realisiert werden, ortsabhängige Fehler der Probe können korrigiert und weitere Manipulationen am Beleuchtungs- und Detektionslicht können sowohl gemeinsam als auch getrennt, vorgenommen werden. Insbesondere ist hierbei noch der Aspekt der Strahlformung sehr wichtig. So kann es vorteilhaft sein, einen gaußartigen Laserstrahl zum Beispiel in eine Linie oder mehrere Punkte umzuformen. Weiterhin sind Strahlbeeinflussungen wichtig, die die Punktbildfunktion (Point-Spread-Function, PSF) gezielt verändern. Hier sind beispielsweise Umformungen in sogenannte "doughnut-PSFs", Bes- sel-PSFs oder helikale PSF möglich.
DE 10 2014 017 003 A1 beschreibt eine Möglichkeit, eine Pupille in einem separaten optischen Pfad mit einem adaptivem Spiegel bei Bedarf zu manipulieren. Allerdings benötigt dort die zuschaltbare Optik eine frei zugängliche Pupillenebene, die ständig vorgehalten werden muss. DE 10 2006 045 839 A1 beschreibt ebenfalls eine Möglichkeit zur Manipulation in einer Pupillenebene. Dort ist die benötigte Optik aber nicht zu- oder abschaltbar. Sie ist immer im Strahlengang erforderlich.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine lichteffiziente und kompakte Vorrichtung zur Strahlmanipulation zu schaffen, die besonders vielseitig eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass eine zusätzliche optische Strecke vorhanden ist mit optischen Ele- menten, die einen Strahlengang beeinflussen, dass durch die den Strahlengang beeinflussenden optischen Elemente mindestens eine Pupillenebene und/oder mindestens eine Zwischenbildebene in der zusätzlichen optischen Strecke gebildet ist, dass eine verstellbare Auswahleinrichtung vorhanden ist zum Aktivieren entweder eines ersten Strahlabschnitts des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs oder der zusätzlichen optischen Strecke, wobei der erste Strahlabschnitt des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs keine Pupillenebene des Beleuchtungsund/oder Detektionsstrahlengangs enthält.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für ein konfokales Scanning-Mikroskop und/oder für ein Laser-Scanning-Mikroskop. Beansprucht wird außerdem ein Mikroskop mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Strahlmanipulation, das außerdem mindestens folgende Bestandteile aufweist: mindestens ein Mikroskopobjektiv und eine Detektoreinrichtung zum Detektieren von von einer Probe abgestrahltem Detektionslicht, wobei sich die Pupillenebenen der zusätzlichen optischen Strecke in Ebenen befinden, die zu einer Pupillenebene des Mikroskopobjektivs optisch konjugiert sind.
Als ein Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, dass die zusätzliche optische Strecke so gestaltet ist, dass sie prinzipiell an einem beliebigen Ort im Beleuchtungsstrahlengang oder Detektionsstrahlengang eines Mikroskops eingefügt werden kann. Die wesentliche Idee der Erfindung, die die Positionierung der Auswahleinrichtung betrifft, kann auch dadurch beschrieben werden, dass die Auswahleinrichtung außerhalb von Pupillenebenen des ruhenden oder descannten Beleuchtungs- oder De- tektionsstrahlengangs positioniert ist. Durch die Auswahleinrichtung wird entweder die zusätzliche optische Strecke oder ein erster Strahlabschnitt des Beleuchtungsund/oder Detektionsstrahlengangs aktiviert. Mit Aktivieren ist gemeint, dass der jeweilige Teil des Strahlengangs im aktivierten Zustand von Beleuchtungs- und/oder Detektionslicht durchströmt und im nicht aktivierten Zustand entsprechend nicht von Beleuchtungs- und/oder Detektionslicht durchströmt wird. Durch das variable Bereitstellen mindestens einer weiteren Pupillenebene oder mindestens einer weiteren Zwischenbildebene können sehr bequem, je nach Anwendungsfall, Elemente zum Manipulieren der Wellenfront des Lichts, beispielsweise adaptive Elemente und insbesondere reflektierende adaptive Elemente, zum Einsatz kommen. Konkret verläuft der Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang, wenn die zusätzliche optische Strecke aktiviert ist über eben diese zusätzliche optische Strecke und die zusätzliche Pupille oder die zusätzlichen Pupillen beziehungsweise Zwischenbildebenen. Durch den ersten Strahlabschnitt strömt dann kein Beleuchtungsund/oder Detektionslicht. Im anderen Fall strömt Beleuchtungs- und/oder Detektions- licht durch oder über den ersten Strahlabschnitt wenn dieser aktiviert wird und über die zusätzliche optische Strecke gelangt dann kein Licht. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die optische Strecke, die durch die zusätzliche optische Strecke bei deren Aktivierung ersetzt wird, nämlich der erste Strahlabschnitt des Beleuchtungsund/oder Detektionsstrahlengangs, keine Pupille aufweist. Im Unterschied zu DE 10 2014 017 003 A1 ist die erfindungsgemäße Lösung deshalb unabhängig davon einsetzbar, ob eine frei zugängliche Pupillenebene an dem jeweiligen Mikroskopstrahlengang vorhanden ist oder nicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist deshalb besonders vielseitig, insbesondere auch bei bereits bestehenden Mikroskopen einsetzbar, ohne dass eine frei zugängliche Pupillenebene vor- gehalten werden muss. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Optikaufwand, speziell im Detektions- strahlengang, vergleichsweise gering gehalten werden kann. Insbesondere für die Fluoreszenzmikroskopie ist das besonders wichtig, weil dort die verfügbaren Photonen möglichst effizient detektiert werden müssen. Im Strahlengang sollten also im- mer nur so viele optische Elemente vorhanden sein, wie für die gerade genutzte Funktionalität notwendig. Dies leistet die Erfindung.
Die Erfindung stellt also eine vergleichsweise einfache Optik bereit, mit der ein Pupilleneingriff und/oder ein Zwischenbildeingriff in einem ruhenden Strahl eines Mikroskops, insbesondere eines Laser-Scanning-Mikroskops zugeschaltet werden kann. Dabei verbleiben, wenn der Pupilleneingriff und/oder der Zwischenbildeingriff abgeschaltet ist, keine unnötigen Optikelemente im Strahlengang. Außerdem ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung grundsätzlich möglich, dass wahlweise nur das An- regungs- oder das Detektionslicht beeinflusst wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Teil eines, insbesondere konfokalen, Laser- Scanning-Mikroskops sein, wobei sie zwischen Scaneinrichtung einerseits und Hauptfarbteilern, Laserquelle und, gegebenenfalls, einem Pinhole andererseits angeordnet sein kann.
Als Pupillenebenen werden im Rahmen dieser Beschreibung Ebenen bezeichnet, die in einem Betriebszustand der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einer hinteren Brennebene eines im Einsatz befindlichen Mikroskopobjektivs optisch konjugiert sind. Dementsprechend werden als Zwischenbildebenen im Rahmen dieser Beschreibung solche Ebenen bezeichnet, die zu einer Brennebene eines im Einsatz befindlichen Mikroskopobjektivs, in der Regel also, wenn nämlich in der Brennebene ein Objekt positioniert ist, zu einer Objektebene optisch konjugiert sind. Die Auswahleinrichtung kann auch als schaltbares Element bezeichnet werden. Die Scaneinrichtung kann einen zweiachsig verschwenkbaren Spiegel aufweisen. Solche Einrichtungen sind bekannt. Anstelle eines einzigen Scanspiegels können auch mehrere Scanspiegel in konjugierten Ebenen vorhanden sein und eine Position festlegen, die dann mit einer Linsenoptik in die Pupillenebene abgebildet wird. Die zusätzliche optische Strecke wird auch als Wellenfrontmanipulationspfad und, wenn adaptive Elemente zum Beeinflussen der Wellenfront zum Einsatz kommen, auch als adaptiver Pfad bezeichnet.
Unter dem Begriff Licht, insbesondere Beleuchtungslicht oder Detektionslicht, wird elektromagnetische Strahlung verstanden, die in der Mikroskopie typischerweise zum Einsatz kommt oder auftritt. Das Beleuchtungslicht, das insbesondere im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich liegen kann, wird typischerweise durch Laser bereitgestellt. Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Mikroskop ein Laser- Scanning-Mikroskop. Die Begriffe Scannen und Rastern werden in dieser Beschrei- bung synonym verwendet.
Einrichtungen, die in einer Zwischenbildebene und/oder einer Pupillenebene der zusätzlichen optischen Strecke positioniert sind und zur Manipulation des Lichts, insbesondere hinsichtlich seiner räumlichen Verteilung der Intensität und/oder der Phase, dienen, werden im Rahmen dieser Beschreibung auch als Manipulationselemente bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist auch die Auskopplung und Umlenkung des Detektionsstrahlen- gangs anstelle des Anregungslichtstrahlengangs und dessen Beeinflussung durch mindestens ein adaptives optisches Element in einer zusätzlichen Pupillenebene.
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung, vorteil- hafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Mikroskops werden im Folgenden, insbesondere mit Bezug auf die abhängigen Ansprüche und die Figuren beschrieben.
Aus Gründen der baulichen Gegebenheiten kann bei einer ersten bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Auswahleinrichtung beispielsweise in einem kollimierten Bereich des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs positioniert sein. Der erste Strahlabschnitt ist dann ein Abschnitt des kollimierten Bereichs des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass sie sehr flexibel positioniert werden kann. Das heißt, dass bei bestimmten Anordnungen wegen des zur Verfügung stehenden Bauraums bevorzugt sein kann, dass die Auswahleinrichtung in einem divergenten oder konvergenten Bereich des Beleuchtungsund/oder Detektionsstrahlengangs positioniert ist. Der erste Strahlabschnitt ist dann ein Abschnitt eines divergenten oder konvergenten Bereichs des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs.
Zwar ist es bevorzugt, eine Beeinflussung des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs in einer Pupillenebene oder in einer Zwischenbildebene vorzunehmen. Prinzipiell können aber beliebige optische Ebenen beeinflusst werden, also auch Ebenen zwischen einer Pupillen- und einer Bild- oder Zwischenbildebene. Im Hinblick auf die Betätigung des Auswahlelements kommt es darauf an, dass das Licht in der gewünschten Weise abgelenkt wird. Die Auswahleinrichtung kann deshalb prinzipiell jede Art von strahlablenkender Einrichtung sein, die sich zum Umschalten von Strahlengängen eignet. Prinzipiell können hier auch elektrooptische Komponenten zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt sind mechanische Mittel vorhanden zum Einschwenken und Herausschenken und/oder zum Hineinschieben oder Herausschieben der Auswahleinrichtung in den Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang.
Besonders bevorzugt weist die Auswahleinrichtung einen Spiegel, insbesondere einen Doppelspiegel, auf. Der Spiegel oder Doppelspiegel kann insbesondere verstell- bar sein, beispielsweise in den Strahlengang hineinbewegbar und aus diesem herausbewegbar sein. Diese Variante ist konstruktiv einfach und arbeitet zuverlässig. Beispielsweise kann der Spiegel verschwenk- und/oder verschiebbar sein.
Insbesondere kann sowohl das Anregungs- als auch das Detektionslicht über die zusätzliche optische Strecke laufen. Das kann insbesondere für eine schnelle Fokus- sierung von Vorteil sein. Wenn die zusätzliche optische Strecke nicht benötigt wird, wird die Auswahleinrichtung entsprechend betätigt, beispielsweise also der Spiegel einfach ausgeschwenkt.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung weist die Auswahleinrichtung mindestens einen Farbteiler auf. Dadurch wird ermöglicht, dass wahlweise nur Anre- gungslicht ganz oder teilweise und/oder das Detektionslicht ganz oder teilweise be- einflusst wird.
Beispielsweise kann die Auswahleinrichtung mindestens einen dichroitischen Strahlteiler aufweisen. Zudem ist die Ausnutzung der Polarisation des Lichtes vorteilhaft. So kann mit einem polarisationsabhängigen Strahlteiler Licht in einer bestimmten Polarisation über die Anordnung geführt werden, während Licht der orthogonalen Polarisationsrichtung nicht über die Vorrichtung läuft. Besonders vorteilhaft kann hierbei eine Eigenschaft polarisierender Schichten durch wellenlängenabhängige Aufspaltung der s- und p- Komponenten nutzbar gemacht werden. Auf diese Weise kann zum Beispiel erreicht werden, dass das Anregungslicht in Abhängigkeit seiner Polarisation über jeweils einen Weg geschickt wird, während das Emissionslicht, dass eine größere Wellenlänge aufweist, für beide Polarisationsrichtungen durch den Teiler transmittiert wird.
Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine Variante der erfindungsge- mäßen Vorrichtung, bei der im Beleuchtungsstrahlengang, insbesondere vor dem Hauptfarbteiler, eine Schalteinrichtung zum Ein- und Abschalten des Beleuchtungslichts, insbesondere ein akustooptischer oder ein elektrooptischer Schalter, wie eine Pockelszelle, vorhanden ist und bei der die verstellbare Auswahleinrichtung als wellenlängenabhängig wirkender Polarisationsfilter gebildet ist. Besondere Vorteile werden außerdem bei einer weiteren Variante der Erfindung erzielt, bei der der Beleuchtungsstrahlengang in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt ist, bei der in den Strahlwegen der Teilstrahlen polarisationsdrehende Elemente zum Bereitstellen von unterschiedlichen Polarisationen der Teilstrahlen vorhanden sind, und bei der eine Schalteinrichtung, insbesondere ein Mehrfach-AOTF, vorhanden ist zum Umschalten zwischen einem oder mehreren der Teilstrahlen.
Damit wird eine Mehrstrahlanordnung erreicht, in welcher Strahlen mit verschiedener Polarisation vorliegen, zwischen welchen dann sehr schnell geschaltet werden kann. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem man einen Laserstrahl im Beleuchtungsstrahlengang in mehrere Teilstrahlen aufteilt und diese Teilstrahlen dann durch einen Mehrfach-AOTF leitet, wobei zum Beispiel im Strahlweg eines dieser Teilstrah- len ein polarisationsdrehendes Element, wie eine Halbwellenplatte (Lambda-Halbe- Platte), vorhanden ist. Mittels des AOTF kann man dann sehr einfach und schnell zwischen diesen verschieden polarisierten Teilstrahlen, und somit zwischen den manipulierten und nichtmanipulierten Lichtmustern in der Probe umschalten. Beispielsweise kann eine Untergruppe der Teilstrahlen s-polarisiert und eine andere Untergruppe p-polarisiert sein. Zwischen diesen Untergruppen kann dann, z.B. mit einem räumlich mehrkanaligen akustooptischen Filter, geschaltet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinrichtung mindestens einen wellenlän- genabhängigen dichroitischen Polarisationsfilter aufweist.
Wenn die Auswahleinrichtung, also das schaltbare Element, einen Farbteiler aufweist oder ein Farbteiler ist, kann beispielsweise das Anregungslicht über den Wellen- frontmanipulationspfad geführt werden, um z.B. eine spezielle Strahlformung vorzunehmen, oder um das Anregungslicht gegenüber dem Detektionslicht zu defokussie- ren. Beispielsweise kann eine Farblängsfehlerkorrektur bei 405 nm vorgenommen werden. Das Detektionslicht, das ja bei Fluoreszenz eine größere Wellenlänge als das Anregungslicht besitzt, passiert den Farbteiler ohne die adaptive Optik zu durchlaufen und kann deswegen hocheffizient detektiert werden. Weiterhin ist diese Anordnung dann zweckmäßig, wenn man an dieser Stelle den Strahl in mehrere Teil- strahlen wahlweise aufspalten möchte, das Emissionslicht aber nicht beeinflussen will. In dem Fall könnte zum Beispiel nach dem Hauptfarbteiler ein Mikrolinsenarray in den Strahl eingebracht sein, welches das Emissionslicht, welches aus den mehrfachen Fokalpunkten resultiert durch ein Pinhole und auf nachgeschaltete Detektoren leitet. Eine weitere vorteilhafte Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Auswahleinrichtung mindestens einen keilförmigen Farbteiler aufweist, dass eine Vorderseite des keilförmigen Farbteilers ausgebildet ist zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die größer oder kleiner sind als eine erste Grenzwellenlänge und dass eine Rückseite des keilförmigen Farbteilers ausgebildet ist zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die kleiner oder größer sind als eine zweite Grenzwellen- länge. Die erste Grenzwellenlänge und die zweite Grenzwellenlänge sind dabei bevorzugt unterschiedlich.
Wenn die Auswahleinrichtung, also das schaltbare Element, als dichroitischer Keil ausgeführt ist und auf der Vorderseite und der Rückseite unterschiedliche Teiler- schichten aufgebracht sind, können für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Orte am Manipulationselement ausgeleuchtet werden. Dies ist unabhängig davon möglich, ob sich das Manipulationselement in einer Pupillenebene oder einer Zwischenbildebene, befindet. Wenn das Manipulationselement sich in einer Zwischenbildebene befindet, spricht man auch davon, dass das Feld beeinflusst oder manipu- liert wird.
Die Trennung der Wellenlängenbereiche ist abhängig von einem Keilwinkel und einer Brennweite einer dem Manipulationselement zugeordneten Optik. Damit wird die Aufgabe gelöst, Anregungs- und Detektionslicht unterschiedlich mit einem adaptiven Element beeinflussen zu können. Dabei kann die Auswahleinrichtung, in diesem Bei- spiel der Keil, sowohl in einem kollimierten Bereich als auch in einem divergenten oder konvergenten Bereich des Beleuchtungsstrahlengangs positioniert sein. Dies ist ein entscheidender Vorteil, da die Beeinflussung der räumlichen Phase des Lichts stark abhängig von der Wellenlänge des Lichts ist. Insbesondere wird hierdurch also der Einsatz von Farbstoffen mit einem großen Stokes-shift ermöglicht, wenn sowohl Anregung als auch Emission manipuliert werden sollen.
Eine besonders variabel an unterschiedliche Aufgabenstellungen anpassbare Vorrichtung kann erzielt werden, wenn eine Winkelstellung der Auswahleinrichtung, insbesondere des Doppelspiegels oder des Farbteilers, verstellbar ist.
In diesem Zusammenhang kann außerdem von Vorteil sein, wenn die Auswahlein- richtung eine Mehrzahl von verschiedenen Farbteiler und/oder Spiegeln aufweist.
Eine solche Vorrichtung ist besonders leicht handhabbar, wenn die Farbteiler und/oder Spiegel auf einem Teilerrad angeordnet sind und wahlweise im Beleuchtungsstrahlengang positionierbar sind. Wenn man verschiedene Farbteiler und Spiegel auf einem Teilerrad anordnet, kann man sehr schnell und einfach verschiedenste Betriebsmodi schalten. Lagetoleranzen der Teiler spielen dabei eine untergeordnete Rolle, da das Licht immer zweimal reflektiert wird. Lagefehler kompensieren sich damit automatisch.
Für die den Strahlengang beeinflussenden optischen Elemente in der zusätzlichen optischen Strecke kommt es grundsätzlich darauf an, dass das Licht in der ge- wünschten Weise geführt wird und dass mindestens eine Pupillenebene und/oder mindestens eine Zwischenbildebene gebildet wird. Besonders bevorzugt weisen die den Strahlengang beeinflussenden optischen Elemente mindestens eine Linsengruppe, insbesondere mindestens eine Linse, auf.
Vorteilhaft ist darüber hinaus, wenn eine Position eines Strahleingriffs, insbesondere eines Reflexionseingriffs, der Auswahleinrichtung außerhalb einer optischen Achse der mindestens einen Linsengruppe liegt. Mit einer solchen Positionierung sind Anordnungen möglich, die sich unaufwändig an eine neue Anwendung anpassen lassen.
Bei weiteren Varianten der Erfindung können die den Strahlengang beeinflussenden optischen Elemente mindestens einen Spiegel aufweisen. Damit können Vorrichtungen mit vergleichsweise geringer Baugröße verwirklicht werden.
Bei einer besonders bevorzugten Variante sind in der zusätzlichen optischen Strecke einer ersten Linsengruppe und einer zweiten Linsengruppe vorhanden. Insbesondere können dann eine erste Pupillenebene und eine zweite Pupillenebene gebildet sein. Die erste Linsengruppe und/oder die zweiten Linsengruppe kann dabei aus je einer, insbesondere farbkorrigierten, Linse bestehen.
Wenn zwei Linsen oder zwei Linsengruppen anstelle von nur einer Linse oder einer Linsengruppe zum Einsatz kommen, ist eine weitere vorteilhafte Variante möglich, bei der eine Brennweite der ersten Linsengruppe sich von einer Brennweite der zwei- ten Linsengruppe unterscheidet. Durch eine Wahl des Verhältnisses der Brennweiten der ersten und der zweiten Linse oder Linsengruppe kann dann eine Größe der Pupille gezielt eingestellt werden. Dies kann zweckmäßig sein, um die Größe der Pupille an ein bestimmtes zur Verfügung stehendes Manipulationselement, beispielweise einen bestimmten räumlichen Lichtmodulator, anzupassen (Spatial Light Modulator, SLM). Zweckmäßig können die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe relativ zueinander so positioniert werden, dass eine optische Achse der ersten Linsengruppe mit einer optischen Achse der zweiten Linsengruppe zusammenfällt. Dadurch wird ein vergleichsweise symmetrischer Aufbau erzielt, der unaufwändig an veränderte Einsatzgeometrien angepasst werden kann. Besonders vorteilhaft ist in dieser Hinsicht auch, wenn die mindestens eine Linsengruppe, insbesondere die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe, von dem Anregungslicht zweimal, insbesondere in entgegengesetzten Richtungen, durchlaufen werden. Ungerade Aberrationen, wie Verzeichnung und Koma, können sich im doppelten Durchgang durch die Optik kompensieren.
Grundsätzlich können als Manipulationselemente transmittierende adaptive Elemente auf Flüssigkristallbasis in einer der zusätzlichen Pupillen verwendet werden. Wegen ihrer kürzeren Reaktionszeit bei der Ansteuerung werden häufig reflektierende adaptive Elemente genutzt, zum Beispiel in Form von Membranspiegeln, bei denen eine hochflexible Membran mittels Piezoelementen oder durch elektrostatische Kräfte verformt wird. Ebenso können insbesondere Mikrospiegelarrays zum Einsatz kommen.
Vorteilhaft kann auch sein, einen sogenannten SLM (Spatial Light Modulator) einzusetzen. Mit diesem können die gewünschten spektralen Anteile derart beeinflusst werden, dass sie zum bildgebenden Sensor gelenkt werden. Zudem sind hier sogenannte DMD (Digital Mirror Devices) oder auch MEMS (Micro-Electro-Mechanical- Systems) mit einer Lichtleitfunktion nutzbar.
Vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnen sich also dadurch aus, dass in mindestens einer der zusätzlichen Pupillenebenen und/oder einer der zusätzlichen Zwischenbildebenen ein SLM (Spatial Light Modulator), DMD (Digital Mirror Device) und/oder ein MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) positioniert ist.
Bei weiteren Varianten kann in mindestens einer der zusätzlichen Pupillenebenen und/oder einer zusätzlichen Zwischenbildebene ein Damann-Gitter positioniert sein. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die strukturierte Beleuchtung, kann auch bevorzugt sein, dass in der zusätzlichen optischen Strecke eine Zwischenbildebene gebildet ist und dass in der Zwischenbildebene ein Manipulationselement positioniert ist. Beispielsweise kann in der Zwischenbildebene eine, insbesondere transmittierende, Einrichtung zur Lichtmodulation vorhanden sein. Diese Einrichtung kann zum Beispiel ein Phasengitter für eine strukturierte Beleuchtung sein.
Weiterhin kann auch in der zusätzlichen optischen Strecke eine Zwischenbildebene gebildet sein, in welcher zur Strahlformung des Anregungslichts ein adaptives Element, insbesondere ein SLM, positioniert ist. Zum Beispiel können damit bei einer Multispotbeleuchtung bestimmte Spots ein- oder ausgeblendet werden.
Bei Anwendungen für die Multispot-Scanning-Mikroskopie kann außerdem von Vorteil sein, wenn mindestens eine Multilinsenanordnung im Beleuchtungsstrahlengang und/oder in einem Detektionsstrahlengang, insbesondere in der zusätzlichen optischen Strecke, positioniert ist. Beispielsweise können dadurch Anordnungen verwirk- licht werden, bei denen ein und dasselbe Detektionspinhole für das auf die verschiedenen beleuchteten Probenorte zurückgehende Detektionslicht verwendet wird.
Weitere vorteilhafte Varianten der Erfindung betreffen die Nutzung der Vorrichtung für unpolarisiertes Licht, z.B. in der Detektion.
Diese Problemstellung geht davon aus, dass bekannte SLMs (LCoS) (SLM = Spatial Light Modulator, LCoS = Liquid Crystal on Silicon) nur für eine Polarisationsrichtung funktionieren und dass polarisationsunabhängig arbeitende SLMs kommerziell aktuell wohl nicht verfügbar sind. Wenn man die erfindungsgemäße Vorrichtung also gewinnbringend in der Detektion nutzen möchte, so muss man sicherstellen, dass beide Polarisationskomponenten (s und p) effektiv behandelt werden. Hierzu ergeben sich für die in der Anmeldung vorgeschlagene Vorrichtung zwei Möglichkeiten.
Bei einer ersten Möglichkeit sind in der zusätzlichen optischen Strecke eine erste Pupillenebene und eine zweite Pupillenebene gebildet, wobei in der ersten Pupillenebene ein erster räumlicher Lichtmodulator angeordnet und in der zweiten Pupillenebene ein zweiter räumlicher Lichtmodulator angeordnet ist. Bei dieser ersten Möglichkeit generiert die Vorrichtung also zwei Pupillen, welche man so auslegen kann, dass in jeder der beiden Pupillen ein SLM platziert werden kann.
Sodann kann bei der ersten Möglichkeit eine wirksame Achse des ersten räumlichen Lichtmodulators (SLM) im Vergleich zu einer wirksamen Achse des zweiten räumlichen Lichtmodulators (SLM) relativ zu einer Polarisationsrichtung von Licht in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder dem Detektionsstrahlengang in einem um 90 Grad verschiedenen Winkel angeordnet sein.
Die beiden SLMs werden also bezüglich ihrer wirksamen Achse um 90 Grad zuei- nander gedreht eingesetzt.
Alternativ kann auch vor dem ersten räumlichen Lichtmodulator (SLM) oder vor dem zweiten räumlichen Lichtmodulator (SLM) eine Polarisationsdreheinrichtung vorhanden sein zum Drehen einer Polarisationsrichtung des Lichts in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder dem Detektionsstrahlengang. Beispielsweise kann solch eine Polarisationsdrehung über Wellenplatten, insbesondere Lambda-Halbe-Platten, erfolgen.
Bei einer zweiten Möglichkeit, beide Polarisationskomponenten (s und p) effektiv zu behandeln, ist in der zusätzlichen optischen Strecke eine Einrichtung zum polarisationsabhängigen Auftrennen des Beleuchtungsstrahlengangs und/oder des Detekti- onsstrahlengangs vorhanden und außerdem sind optische Mittel vorhanden zum Leiten der aufgetrennten Anteile von Licht des Beleuchtungsstrahlengangs und/oder des Detektionsstrahlengangs mit unterschiedlicher Polarisation auf zwei verschiedene räumliche Lichtmodulatoren oder auf unterschiedliche Bereiche von ein und demselben räumlichen Lichtmodulator in einer Pupillenebene in der zusätzlichen opti- sehen Strecke.
Besonders bevorzugt kann die Auswahleinrichtung zum polarisationsabhängigen Auftrennen des Beleuchtungsstrahlengangs und/oder des Detektionsstrahlengangs eingerichtet sein. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 : eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 2: eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 3: eine schematische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 4: eine erste schematische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 5: eine zweite schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels aus Figur
4;
Figur 6: eine schematische Ansicht eines Details des Ausführungsbeispiels aus
Figur 4. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop wird mit Bezug auf Figur 1 erläutert. Gleiche und gleichwirkende Komponenten sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Vorrichtung 100 weist als wesentliche Kom- ponenten zunächst einen Hauptfarbteiler 12, einen Beleuchtungsstrahlengang 13 und einen Scanner 30 auf. Der Hauptfarbteiler 12 dient zum Einkoppeln von Anregungslicht 10 in den Beleuchtungsstrahlengang 13 und zum Trennen von Anregungslicht 10 und Detektionslicht 50. Der Scanner, der bevorzugt in einer Pupillenebene positioniert ist, dient in grundsätzlich bekannter Weise zum Rastern des Anre- gungslichts 10.
Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche optische Strecke 40 vorhanden mit optischen Elementen 14, 16, 71 , 18, 22, 72, die einen Strahlengang beeinflussen und im Fol- genden im Einzelnen beschheben werden. Durch die den Strahlengang 13 beeinflussenden optischen Elemente 14, 16, 71 , 18, 22, 72 werden erfindungsgemäß eine erste Pupillenebene 20 und eine zweite Pupillenebene 24 gebildet.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine verstellbare Auswahleinrichtung 16 vorhanden zum Zuschalten oder Wegschalten der zusätzlichen optischen Strecke 40, wobei die Auswahleinrichtung 16 außerhalb von Pupillenebenen des Beleuchtungsstrahlengangs 13 positioniert ist.
Im gezeigten Beispiel ist die Auswahleinrichtung 16 ein Doppelspiegel, der mit Hilfe eines nicht gezeigten Mechanismus aus dem Strahlengang herausgezogen werden kann. Wenn der Doppelspiegel aus dem Strahlengang herausgezogen ist, ist die zusätzliche optische Strecke 40 weggeschaltet und sowohl Anregungslicht 10 als auch vom Scanner 30 zurückkommendes Detektionslicht 50 läuft auf direktem Weg zwischen dem Hauptfarbteiler 12 und dem Scanner (über eine Linse 14).
Die den Strahlengang 13 beeinflussenden optischen Elemente beinhalten in der Reihenfolge des Strahlengangs des Anregungslichts 10, die in Figur 1 durch Pfeile veranschaulicht ist, zunächst eine Linse 14 zum Kollimieren das Anregungslichts 10. Anschließend trifft das Anregungslicht 10 auf eine Vorderseite des Doppelspiegels 16 und wird von dort quer nach oben in Richtung einer ersten Pupillenebene 20 abgelenkt. In der ersten Pupillenebene 20 ist ein erstes reflektierendes Manipulationselement 71 positioniert, wobei es sich beispielsweise um ein SLM handeln kann, zum gezielten Manipulieren des Anregungslichts 10. Beispielsweise können bestimmte gewünschte Strahlprofile der PSF eingestellt werden.
Von dem ersten Manipulationselement 71 wird das Anregungslicht 10 reflektiert und gelangt, nach wie vor als kollimiertes Bündel, auf die Linse 18. Die Linse 18 leitet das Anregungslicht 10 auf einem ersten Strahlweg 41 der zusätzlichen optischen Strecke 40 zu einer Linse 22. Die optischen Achsen der Linsen 18 und 22 fallen, wie aus Fig. 1 ersichtlich, zusammen. Die Linse 22 kollimiert das einfallende Anregungslicht 10 erneut und leitet es auf eine weitere Pupillenebene 24, in der ebenfalls ein reflektierendes Manipulationselement 72 wie ein SLM positioniert sein kann. In der der weiteren Pupillenebene 24 können weitere gewünschte Manipulationen des An- regungslichts 10 vorgenommen werden. Von dem reflektierenden Manipulationselement 72 wird das Anregungslicht 10 zurückgestrahlt in Richtung der Linse 22 und von dieser auf einem zweiten Strahlweg 42 der zusätzlichen optischen Strecke 40 zu der Linse 18 geleitet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegen sowohl der erste Strahlweg 41 als auch der zweite Strahlweg 42 außerhalb der optischen Achsen der Linsen 18 und 22.
Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn nur ein reflektierendes Manipulationselement, wie beispielsweise ein SLM, vorhanden ist. Z.B kann in der ersten Pupillenebene 20 auch ein einfacher Spiegel und in der weiteren Pupillenebene ein reflektie- rendes Manipulationselement, wie beispielsweise ein SLM, angeordnet sein. Ebenso ist die umgekehrte Anordnung möglich, also ein reflektierendes Manipulationselement, wie beispielsweise ein SLM, in der ersten Pupillenebene und ein einfacher Spiegel in der weiteren Pupillenebene.
Die Linse 18 kollimiert das von der Linse 22 kommende Anregungslicht 10 erneut und leitet es auf eine Rückseite des Doppelspiegels 16. Von hier wird das Anregungslicht 10 schließlich in Richtung des Scanners 30 und von dort in Richtung eines in Fig. 1 nicht gezeigten Mikroskops geleitet.
Bei dem Beispiel aus Fig. 1 werden auch Zwischenbildebenen zwischen den Linsen 18 und 22 gebildet, die aber bei dieser Ausführungsvariante nicht genutzt wer- den.
Vom Mikroskop kommendes Detektionslicht 50 kann einerseits, wenn ein Doppelspiegel verwendet wird, denselben optischen Weg wie das Anregungslicht 10 in umgekehrter Richtung nehmen. Erst am Hauptfarbteiler 12 würde, wenn das Detektionslicht 50 eine unterschiedliche Wellenlänge aufweist, eine Trennung stattfinden. Bei einer bevorzugten Variante ist die Auswahleinrichtung 16 ein Farbteiler, der beispielsweise Anregungslicht 10 sowohl mit der Vorderseite als auch mit der Rückseite reflektiert, Detektionslicht 50 aber an Vorderseite und Rückseite durchlässt. Der Weg des Anregungslichts 10 bleibt dann unverändert, das Detektionslicht 50 wird aber, vom Scanner 30 kommend, durch die Auswahleinrichtung 16 transmittiert und ge- langt über den Hauptfarbteiler 12 direkt zu einem Detektionspinhole 52. Das erste manipulierende, insbesondere adaptive optische Element 71 und/oder das zweite adaptive optische Element 72 ist beziehungsweise sind beispielhaft reflektierend ausgeführt und können zur axialen Positionierung (z-Positionierung) der Laserspots in Bezug auf die optische Achse und zur Kompensation von Bildfehlern an der jeweiligen x, y, z-Position der Laserspots in der Probe dienen. Es kann zu diesem Zweck eine Membran mit beispielsweise radialsymmetrisch verformbarer Spiegelfläche aufweisen und kann mit einer Ansteuereinrichtung verbunden sein (zeichnerisch nicht dargestellt), die ihrerseits mit einem Controller zur Vorgabe einer zeitlich und örtlich definierten Folge von x, y, z-Positionen der Laserspots in Verbindung steht. Die Ansteuereinrichtung kann vorzugsweise zwecks Regelung der Bildfehler- Kompensation mit einer Messeinrichtung zur Erfassung System- und objektbedingter Bildfehler an den jeweiligen x, y, z-Positionen gekoppelt sein, die mit einem Wellen- frontsensor ausgestattet ist. In einer alternativen Ausführungsform, bei der eine Steuerung der Bildfehler-Kompensation anhand vorab gespeicherter systembezoge- ner Fehlerdaten erfolgt, ist die Ansteuereinrichtung mit einem Istwertspeicher für Bildfehler an bestimmten x, y, z-Positionen verbunden (zeichnerisch nicht dargestellt).
Bei der in Figur 1 gezeigten Variante kann sich also ein schaltbarer Farbteiler 16 o- der ein Spiegel im Strahlengang befinden. Das Anregungslicht 10 nimmt dann den in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Pfad. Wenn sich die Auswahleinrichtung 16 (wie im Fall des Doppelspiegels) nicht im Strahlengang befindet oder (wie im Fall eines Farbteilers) nicht wirkt, dann läuft das Licht nicht über den adaptiven Pfad, also die zusätzliche optische Strecke 40, sondern einfach gerade durch.
Das Beispiel aus Fig. 1 zeichnet außerdem dadurch aus, dass zwei zusätzliche Pu- pillenebenen 20, 24 in der zusätzlichen optischen Strecke 40 gebildet sind. Die Größe der Pupille in der Pupillenebene 24 kann dabei durch das Verhältnis der Brennweiten der Linsen 18 und 22 eingestellt werden.
Bei einer Alternative, bei der die Vorrichtung für unpolarisiertes Licht, z.B. in der De- tektion, genutzt wird, können die Polarisationskomponenten des Detektionslichts mit der Auswahleinrichtung 16 in Fig. 1 aufgetrennt werden, sodass beide Polarisations- komponenten auf verschiedene räumliche Bereiche ein und desselben SLMs (SLM Spatial Light Modulator) in der Pupille 24/72 gelangen. Eine der Polarisationskomponenten wird zuvor, beispielsweise mit einer Lambda-Halbe-Platte, um 90° gedreht. Somit können beide Polarisationskomponenten letztlich durch den gleichen SLM be- einflusst werden.
Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 2 bis 6 dargestellt, wobei im Wesentlichen die Unterschiede erläutert werden und Komponenten und Wirkungsweisen, die gleich sind wie in Figur 1 , nicht noch einmal beschrieben werden. Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop wird mit Bezug auf Figur 2 erläutert. Bei dieser Variante ist im Vergleich zum Beispiel aus Fig. 1 die Linse 22 ersetzt durch zwei reflektierende Elemente 25 und 26. Dadurch wird insgesamt ein verkürzter Aufbau erzielt, was im Hinblick auf den benötigten Bauraum von Vorteil sein kann. Von den zwei reflektierenden Elementen 25 und 26, die auch als Umlenkspiegel bezeichnet werden können, kann eines in einer Zwischenbildebene positioniert sein und kann als adaptiver Spiegel ausgebildet sein, mit dem eine Strahlformung, beispielsweise des Anregungslichts 10, möglich ist. Prinzipiell ist aber auch möglich, dass eine Zwischenbildebene 27 symmetrisch zwischen den beiden reflektierenden Elementen 25 und 26 gebildet ist. In der Zwischenbildebene 27 kann eine transmittie- rende Manipulationseinheit, beispielsweise eine Phasenmaske für eine strukturierte Beleuchtung, positioniert sein.
Der erste Strahlabschnitt ist im Fall der Figuren 1 und 2 Teil des divergenten Strahlengangs zwischen der Linse 14 und dem Scanspiegel 30, der bei in den Strahlen- gang hineingeschobenem Spiegel 16 von diesem verdrängt wird, also nicht durchlaufen wird. Es ist unmittelbar aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich, dass sich in diesem Teil des Strahlengangs keine Pupille befindet.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop wird mit Bezug auf Figur 3 erläutert. Bei dieser Variante ist im Vergleich zum Beispiel aus Fig. 1 die Auswahleinrichtung 16 (beispielsweise ein Farbteiler) in einem konvergenten Teil des Strahlengangs angeordnet. Hierzu ist die Auswahleinrichtung 16 im Vergleich zu Figur 1 außerdem relativ zu den Linsen 18, 22 unterschiedlich, nämlich zwischen diesen Linsen 18, 22 angeordnet. Das kann, je nach Bauraumverhältnissen, vorteilhaft sein. Zum Kollimieren des Strahls ist im Vergleich zu Fig. 1 zusätzlich eine Linse 29 zwischen dem Scanner 30 und der Auswahleinrichtung 16 vorhanden. Außerdem zeigt dieses Ausführungsbeispiel eine Anwendung für einen Multispotbetrieb, bei dem ein gewisses Feld durch die Vorrichtung propagiert wird. Dabei fällt das Detektionslicht 50 schließ- lieh auf ein Mehrfachpinhole 54 oder auf einen flächenhaften pixelierten Sensor (SPAD-Array o.ä.).
Ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop schließlich wird mit Bezug auf die Figuren 4 bis 6 erläutert. Dabei ist die Auswahleinrichtung durch einen Farbteilerkeil 60 mit bestimmten Eigenschaften gebildet. Der Farbteilerkeil 60, der schematisch in Figur 6 gezeigt ist, weist eine Vorderseite 61 auf, die zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die kleiner sind als eine erste Grenzwellenlänge, ausgebildet ist. Außerdem weist der Farbteilerkeil 60 eine Rückseite 62 auf, die zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die größer sind als eine zweite Grenzwellenlänge, ausgebildet ist. Die zweite Grenzwellenlänge soll dabei größer sein als die erste Grenzwellenlänge. Allerdings ist auch der umgekehrte Fall denkbar.
Diese Eigenschaften des Farbteilerkeils 60 bewirken wegen der durch die Keilform bedingten unterschiedlichen Reflexionswinkel für die Vorder- 61 und die Rücksei- te 62, dass Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen die zusätzliche optische Strecke 40 auf unterschiedlichen Wegen durchläuft. Beispielsweise kann das dazu benutzt werden, um Anregungslicht mit einer kürzeren Wellenlänge auf einem anderen Weg über die zusätzliche optische Strecke 40 zu leiten als Detektionslicht mit einer kürzeren Wellenlänge. Das führt insbesondere auch dazu, dass Licht mit unter- schiedlichen Wellenlängen an unterschiedlichen Orten auf die Pupillenebenen 20, 24 einfällt und dort demgemäß unterschiedlich manipuliert werden kann. Beispielsweise zeigt Fig. 4 einen Strahlweg für vom Hauptstrahlteiler 12 kommendes Anregungslicht 10. Dieses soll im Beispiel nur an der Vorderseite 61 des Farbteilerkeils 60 reflektiert werden, von der Rückseite 62 jedoch transmittiert werden. Das Anregungslicht 10 nimmt dann den in Fig. 4 dargestellten Weg 64. Einen unterschiedlichen Weg nimmt, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt, vom Mikroskop kommendes Detektionslicht 50. Dieses soll im Beispiel nur an der Rückseite 62 des Farbteilerkeils 60 reflektiert werden, von der Vorderseite 61 jedoch transmittiert werden. Das Detektionslicht 50 nimmt dann den in Fig. 5 dargestellten Weg 66. Der wesentliche Grund für die unterschiedlichen Wege ist der durch die Keilform beding- ten jeweils unterschiedliche Reflexionswinkel für die Vorder- 61 und die Rückseite 62 des Farbteilerkeils 60. Wie aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich, trifft das Detektionslicht 50 im Vergleich zum Anregungslicht 10 an unterschiedlichen Orten auf die Pupillenebenen 20, 24 auf und kann deshalb mit den dort befindlichen ortsabhängigen Manipulationsmitteln (z.B. SLMs) unterschiedlich manipuliert werden. Ein weiterer nützlicher Aspekt der Erfindung betrifft die Ausnutzung der Lichtpolarisation an der Position der Auswahleinrichtung 16, z.B. in Fig. 1 . Das Anregungslicht ist in der Regel sehr gut polarisiert, während das Emissionslicht aus der Probe keine bevorzugte Polarisation aufweist. Eine wichtige Anwendung besteht jetzt darin, dass das Anregungslicht für Manipulationszwecke über den SLM geleitet werden soll, wel- eher zum Beispiel ein bestimmtes Punktmuster in der Probe erzeugt. Nun soll aber sehr schnell auf die Bildgebung zurückgeschaltet werden. Das ist möglich, indem man z.B. einen elektrooptischen Schalter, wie beispielsweise eine Pockelszelle, in den Beleuchtungsstrahlengang (beispielsweise in den Pfad 10) einbringt. Ein schnelles Schalten dort erlaubt dann im Bereich von weniger als einer Millisekunde, die verschiedenen Pfade und damit die Modi zu schalten. Ganz besonders vorteilhaft ist es dann, wenn man an dieser Stelle 16 ein Element einbringt, welches eigentlich ein dichroitischer Strahlteiler mit einer definierten Kantenfunktion ist. Es ist bekannt, dass sich bei diesen dichroitischen Strahlteilern die s- und p-polarisierten Anteile verschieden verhalten. Als Beispiel kann ein solcher dichroitischer Strahlteiler mit einer definierten Kantenfunktion folgende Spezifikationen aufweisen:
Ts(488 nm) < 2% Ts(500-600 nm) > 90% Tp(488 nm) > 90% Tp(500-600 nm) >90%
Dabei ist Ts(x) der Transmissionskoeffizient der Strahlung mit s-Polarisation und einer Wellenlänge x. Entsprechend ist Tp(x) der Transmissionskoeffizient der Strahlung mit p-Polarisation und einer Wellenlänge x. Mit einem solchen dichroitischen Strahlteiler kann also der Laser mit einer Wellenlänge von 488 nm polarisationsabhängig geschaltet werden, während das Emissionslicht von der Probe im Bereich 500-600 nm für alle Polarisationskomponenten transmittiert wird.
Statt als Farbteiler kann der Keil 60 auch so gestaltet sein, dass die Vorder- und die Rückseite die je verschiedenen Polarisationskomponenten unter einem je verschie- denen Winkel reflektieren, was ganz in Analogie mit dem Farbkeil 60 dazu führt, dass die Polarisationskomponenten auf verschiedene räumliche Bereiche des SLMs fallen. Nach der Wellenfrontbeeinflussung durch den SLM können die Komponenten nicht ohne Verluste wieder vereinigt werden. Grundsätzlich ist es zwar möglich, die beiden Polarisationskomponenten gemeinsam zu einem Detektor zu führen. Bevor- zugt werden die Polarisationskomponenten aber getrennt zu Detektoren geführt und detektiert.
Bezugszeichenliste
10 Anregungslicht
12 Hauptfarbteiler
14 Linse
16 Auswahleinrichtung
18 Linse
20 Pupillenebene
22 Linse
24 Pupillenebene
25 Spiegel
26 Spiegel
27 Zwischenbildebene
29 Linse
30 Scan-Spiegel
32 optischer Weg zum Mikroskop 40 zusätzliche optische Strecke
41 Strahlweg von der ersten Linse 18 zur zweiten Linse 22
42 Strahlweg von der zweiten Linse 22 zur ersten Linse 18 50 Detektionslicht
52 Pinholeebene
54 Pinholeebene
60 keilförmiger Farbteiler
61 Oberseite des keilförmigen Farbteilers
62 Unterseite des keilförmigen Farbteilers
64 Strahlengang für erste Wellenlänge
66 Strahlengang für eine zweite Wellenlänge
71 erstes adaptives Element, insbesondere SLM
72 zweites adaptives Element, insbesondere SLM
100 Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Strahlmanipulation für ein Scanning-Mikroskop
mit einem Hauptfarbteiler (12) zum Einkoppeln von Anregungslicht (10) in einen Beleuchtungsstrahlengang (13) und zum Trennen von Anregungslicht (10) von Detektionslicht (50) eines Detektionsstrahlengangs,
mit einem, bevorzugt in einer Pupillenebene positionierten Scanner (30) zum Rastern des Anregungslichts (10),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zusätzliche optische Strecke (40) vorhanden ist mit optischen Elementen (18, 22, 25, 26), die einen Strahlengang beeinflussen,
dass durch die den Strahlengang (13) beeinflussenden optischen Elemente (18, 22, 25, 26) mindestens eine Pupillenebene (20, 24) und/oder mindestens eine Zwischenbildebene in der zusätzlichen optischen Strecke (40) gebildet ist, dass eine verstellbare Auswahleinrichtung (16) vorhanden ist zum Aktivieren entweder eines ersten Strahlabschnitts des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs (13) oder der zusätzlichen optischen Strecke (40),
wobei der erste Strahlabschnitt des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs (13) keine Pupillenebene des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs (13) enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) in einem kollimierten Bereich des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs (13) positioniert ist. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) in einem divergenten oder konvergenten Bereich des Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengangs (13) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass mechanische Mittel vorhanden sind zum Einschwenken und Herausschwenken oder zum Hineinschieben oder Herausschieben der Auswahleinrichtung (16) in den Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang (13).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) mindestens einen Spiegel, insbesondere einen Doppelspiegel, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Winkelstellung der Auswahleinrichtung (16), insbesondere des Doppelspiegels, verstellbar ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) mindestens einen, insbesondere dichroiti- schen, Farbteiler (60) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Beleuchtungsstrahlengang (13), insbesondere vor dem Hauptfarbteiler (12), eine Schalteinrichtung zum Ein- und Abschalten des Beleuchtungslichts, insbesondere ein akustooptischer oder elektrooptischer Schalter, wie eine Po- ckelszelle, vorhanden ist und
dass die verstellbare Auswahleinrichtung (16) als wellenlängenabhängig wirkender Polarisationsfilter gebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
der Beleuchtungsstrahlengang in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt ist,
dass in den Strahlwegen der Teilstrahlen polarisationsdrehende Elemente zum Bereitstellen von unterschiedlichen Polarisationen vorhanden sind, und
dass eine Schalteinrichtung, insbesondere ein Mehrfach-AOTF, vorhanden ist zum Umschalten zwischen einem oder mehreren der Teilstrahlen. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) mindestens einen wellenlängenabhängigen dichroitischen Polarisationsfilter (60) aufweist. 1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) eine Mehrzahl von verschiedenen Farbteilern und/oder Spiegeln aufweist. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Farbteiler und/oder Spiegel auf einem Teilerrad angeordnet sind und wahlweise im Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang (13) positionierbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die den Strahlengang (13) beeinflussenden optischen Elemente (18, 22, 25, 26) mindestens eine Linsengruppe (18), insbesondere mindestens eine Linse, aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Position eines Strahleingriffs, insbesondere eines Reflexionseingriffs, der Auswahleinrichtung (16) außerhalb einer optischen Achse der mindestens einen Linsengruppe (18, 22) liegt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die den Strahlengang (13) beeinflussenden optischen Elemente (18, 22, 25, 26) mindestens einen Spiegel (25, 26) aufweisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zusätzlichen optischen Strecke (40) mit Hilfe einer ersten Linsen- gruppe (18) und einer zweiten Linsengruppe (22) insbesondere eine erste Pupillenebene (20) eine zweite Pupillenebene (24) gebildet sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Brennweite der ersten Linsengruppe (18) sich von einer Brennweite der zweiten Linsengruppe (22) unterscheidet.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine optische Achse der ersten Linsengruppe (18) mit einer optischen Achse der zweiten Linsengruppe (22) zusammenfällt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Linsengruppe (18), insbesondere die erste Linsengruppe (18) und die zweite Linsengruppe (22), von dem Anregungslicht (50) zweimal, insbesondere in entgegengesetzten Richtungen, durchlaufen werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass in mindestens einer der zusätzlichen Pupillenebenen (20, 24) ein SLM (Spatial Light Modulator), DMD (Digital Mirror Device) und/oder ein MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass in mindestens einer der zusätzlichen Pupillenebenen (20, 24) ein Damann- Gitter positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zusätzlichen optischen Strecke (40) eine Zwischenbildebene (29) gebildet ist und
dass in der Zwischenbildebene (27) eine, insbesondere transmittierende, Einrichtung zur Lichtmodulation positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zusätzlichen optischen Strecke (40) eine Zwischenbildebene (25, 26) gebildet ist, in welcher zur Strahlformung des Anregungslichts (10) ein adaptives Element, insbesondere ein SLM, positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens eine Multilinsenanordnung im Beleuchtungsstrahlengang (13) und/oder in einem Detektionsstrahlengang, insbesondere in der zusätzlichen optischen Strecke (40), positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) mindestens einen keilförmigen Farbteiler (60) aufweist, dass eine Vorderseite (61 ) des keilförmigen Farbteilers (60) ausgebildet ist zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die größer oder kleiner sind als eine erste Grenzwellenlänge und
dass eine Rückseite (62) des keilförmigen Farbteilers (60) ausgebildet ist zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die größer oder kleiner sind als eine zweite Grenzwellenlänge.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zusätzlichen optischen Strecke (40) eine erste Pupillenebene (20) und eine zweite Pupillenebene (24) gebildet sind und
dass in der ersten Pupillenebene (20) ein erster räumlicher Lichtmodulator (SLM) angeordnet ist und in der zweiten Pupillenebene ein zweiter räumlicher Lichtmodulator (SLM) angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine wirksame Achse des ersten räumlichen Lichtmodulators (SLM) im Vergleich zu einer wirksamen Achse des zweiten räumlichen Lichtmodulators (SLM) relativ zu einer Polarisationsrichtung von Licht in dem Beleuchtungsstrahlengang
(13) und/oder dem Detektionsstrahlengang in einem um 90 Grad verschiedenen Winkel angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem ersten räumlichen Lichtmodulator (SLM) oder vor dem zweiten räumlichen Lichtmodulator (SLM) eine Polarisationsdreheinrichtung vorhanden ist zum Drehen einer Polarisationsrichtung des Lichts in dem Beleuchtungsstrahlengang (13) und/oder dem Detektionsstrahlengang.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zusätzlichen optischen Strecke (40) eine Einrichtung zum polarisationsabhängigen Auftrennen des Beleuchtungsstrahlengangs (13) und/oder des Detektionsstrahlengangs vorhanden ist und
dass optische Mittel vorhanden sind zum Leiten der aufgetrennten Anteile von Licht des Beleuchtungsstrahlengangs (13) und/oder des Detektionsstrahlengangs mit unterschiedlicher Polarisation auf zwei verschiedene räumliche Lichtmodulatoren oder auf unterschiedliche Bereiche von ein und demselben räumli- chen Lichtmodulator in einer Pupillenebene in der zusätzlichen optischen Strecke (40).
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) zum polarisationsabhängigen Auftrennen des
Beleuchtungsstrahlengangs (13) und/oder des Detektionsstrahlengangs eingerichtet ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Auswahleinrichtung (16) mindestens einen keilförmigen Farbteiler (60) aufweist,
dass eine Vorderseite (61 ) des keilförmigen Farbteilers (60) ausgebildet ist zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die größer oder kleiner sind als eine ers- te Grenzwellenlänge und
dass eine Rückseite (62) des keilförmigen Farbteilers (60) ausgebildet ist zum Reflektieren von Licht mit Wellenlängen, die größer oder kleiner sind als eine zweite Grenzwellenlänge. 31 . Mikroskop mit einer Vorrichtung zur Strahlmanipulation nach einem der Ansprüche 1 bis 30,
mit mindestens einem Mikroskopobjektiv und einer Detektoreinrichtung zum De- tektieren von von einer Probe abgestrahltem Detektionslicht,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Pupillenebenen (20, 24) der zusätzlichen optischen Strecke (40) in Ebenen befinden, die zu einer Pupillenebene des Mikroskopobjektivs optisch konjugiert sind.
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