WO2018115102A1 - Mikroskop mit wellenfrontmanipulator - Google Patents

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WO2018115102A1
WO2018115102A1 PCT/EP2017/083777 EP2017083777W WO2018115102A1 WO 2018115102 A1 WO2018115102 A1 WO 2018115102A1 EP 2017083777 W EP2017083777 W EP 2017083777W WO 2018115102 A1 WO2018115102 A1 WO 2018115102A1
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WO
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optical element
free
microscope according
optical
wavefront
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PCT/EP2017/083777
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eckhard Roth
Dirk Döring
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Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
Original Assignee
VEB Carl Zeiss Jena GmbH
Carl Zeiss Jena GmbH
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Publication date
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G02B21/367—Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G02B27/0068—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration having means for controlling the degree of correction, e.g. using phase modulators, movable elements
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/04—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification
    • G02B7/08—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification adapted to co-operate with a remote control mechanism

Definitions

  • the present invention relates to a microscope having an optical beam path and a wavefront manipulator arranged in the optical beam path, which comprises at least a first optical element and a second optical element, wherein the first optical element has a first free-form surface and the second optical element has a second free-form surface the first optical element and the second optical element are movable relative to each other.
  • the invention relates to an optical device with such a wavefront manipulator.
  • movable deflection elements such as galvano scanners are known for the variable deflection of a beam, but in which also a movable mass is decelerated at a turning point and in the opposite direction must be accelerated again. Even with these elements, the dynamic range is therefore limited.
  • the object of the present invention is to provide a microscope with an optical beam path and a wavefront manipulator arranged in the optical beam path, in which a wavefront can be manipulated with a high temporal dynamics, i. the rate of change of the wavefront is high.
  • the wavefront manipulator comprises at least a first optical element and a second optical element which is arranged or arranged relative to the first optical element such that both optical elements are in the beam path the wavefront manipulator is arranged in the optical beam path, in particular in a parallel optical beam path.
  • the first optical element has a first free-form surface and the second optical element has a second free-form surface, wherein the first optical element and the second optical element are arranged to be movable relative to one another.
  • the first optical element has a radial direction and a circumferential direction perpendicular to the radial direction, wherein the first free-form surface varies at least in the circumferential direction of the first optical element.
  • the first optical element has a perpendicular to the radial direction and perpendicular to the circumferential direction of rotation axis, wherein the first optical element is rotatably mounted about the axis of rotation.
  • the wavefront manipulator comprises a drive acting on the first optical element for rotating the same.
  • the first free-form surface and the second free-form surface can in particular be chosen such that a beam passing through the optical elements has a variable beam Defocus experiences and the microscope comprises a control unit, which shifts the focal plane successively by varying the defocus at different distances and causes the microscope successively detects light from these different distances.
  • the free-form surface required for manipulating the wavefront can be applied circumferentially to the rotatable optical element of the wavefront manipulator. The wavefront manipulation takes place during a rotation of the first optical element in a given by the free-form surface modulation range, wherein at the latest after one revolution of the optical element, a jump from the end of the modulation range back to the beginning of the modulation range.
  • a repeated passage through the manipulation area predetermined by the free-form surface can thus be realized by a continuous rotation of the element, so that it is not necessary to decelerate the optical element and accelerate it in the opposite direction.
  • the dynamics of the wavefront manipulation can be increased compared to the known wavefront manipulators.
  • the frequency with which the modulation range is traversed is given by the rotational frequency of the rotating optical element. If the freeform surface is configured to have two or more circumferentially sequentially identical portions, the frequency at which the modulation range is traversed can be increased to n times the rotational frequency of the optical element, where n is the number of in Circumferentially indicates identical sections arranged one behind the other. In this way, very high frequencies when passing through the modulation range and thus very high modulation frequencies can be realized.
  • Very high modulation frequencies can also be realized if the second optical element also has a radial direction, a circumferential direction perpendicular to the radial direction and a rotation axis perpendicular to the radial direction and the circumferential direction, wherein the second optical element is rotatable about the axis of rotation is mounted, the second free-form surface varies at least in the circumferential direction of the second optical element, and a drive acting on the second optical element for rotating the same is present, which rotates the second optical element in opposite directions to the first optical element.
  • the drive can be the same drive, which also rotates the first optical element, if a suitable gear is available, which allows the opposite rotation of the two optical elements.
  • the angular velocity of the two optical elements can be doubled relative to one another, which also causes the frequency with which the modulation range of the wavefront defined by the freeform surfaces to pass.
  • Counter-rotating elements with free-form surfaces which have at least two identical sections arranged one behind the other in the circumferential direction, allow a further increase in frequency, so that a very rapid passage through the manipulation area becomes possible.
  • the second optical element instead of being rotatably fixed, which makes it possible to make the second optical element significantly smaller than the optical element.
  • only a rotating optical element is needed, which simplifies the structure of the wavefront manipulator.
  • the drive for rotating the optical element or the optical elements can be arranged centrally in the respective optical element. This allows a uniform distribution of forces and moments can be realized, resulting in a very smooth rotation.
  • the free-form surface or the free-form surfaces of the wavefront manipulator can be designed such that upon rotation of the rotatable optical element or the rotatable optical elements, a wavefront component described by at least one selected Zernike polynomial Z ' j is varied within a predetermined range.
  • the Zernike polynomials Z ' j represent wavefront portions, each representing a defined optical aberration.
  • the Zernike polynomials Z 1 i and Z "1 i each represent a tilt of the wavefront in the x-direction or y-direction
  • the Zernike polynomial Z ° 2 the introduction of a defocus into the wavefront
  • the Zernike polynomials Z " 2 2 and Z 2 2 respectively the introduction of an astigmatism into the wavefront
  • the Zernike polynomials Z "1 3 and Z 1 3 each introducing a coma into the wavefront
  • the tilting of the wavefront can, for example, be used to perform a lateral scan and the defocus to perform a depth scan (z-scan).
  • At least one of the optical elements of the wavefront manipulator is transmissive and has a first base surface and a second base surface parallel to the first base surface, the freeform surface varying in the circumferential direction being formed by a free-form surface formed on the first base surface and / or a free-form surface formed on the second base is realized.
  • the first base surface and the second base surface may be circular surfaces or spherical cap surfaces.
  • each of the optical elements can also be transmissive, so that the wavefront manipulator consists exclusively of transmissive optical elements.
  • each of the optical elements may also have a first base surface and a second base surface running parallel to the first base surface, wherein the wavefront manipulation may be realized by a free-form surface formed on the first base surface and / or a free-form surface formed on the second base surface.
  • each of the transmissively formed optical elements can have at least two radial sections which do not overlap one another, wherein different free-form surfaces are formed in the non-overlapping radial sections on the first base surface and / or on the second base surface.
  • the different free-form surfaces can each cause the same aberration, ie, for example, a defocus, but with different distance ranges, which passes through the focus point relative to the wavefront manipulator, so that the focal point depending on the radial section through which the scanning beam passes, each different depth ranges in one goes through the sample to be examined.
  • the radial sections each bring about a tilting of the wavefront, wherein the tilting angles each pass through different angular ranges, for example.
  • the radial sections it is also possible for the radial sections to have different wavefront errors so that, for example, a radial section has a free-form surface which brings about a defocus, whereas another radial section has a free-form surface which causes a tilting of the wavefront.
  • At least one of the optical elements of the wavefront manipulator has a reflective cylinder jacket-shaped or cone-shaped edge surface.
  • the free-form surface varying in the circumferential direction is then realized by a free-form surface formed on the reflective cylinder-jacket-shaped or cone-shaped edge surface.
  • each of the optical elements may have a reflective surface, so that the wavefront manipulator is an exclusively reflective wavefront manipulator.
  • each of the optical elements may have a reflective cylinder jacket-shaped or cone-shaped edge surface, wherein a free-form surface varying in the circumferential direction is realized by a free-form surface formed on the reflective cylinder jacket-shaped or cone-shaped edge surface.
  • each of the cylinder jacket-shaped or cone-shaped edge surfaces has at least two non-overlapping portions perpendicular to the circumferential direction, wherein different free-form surfaces are formed in the non-overlapping portions of the edge surface are.
  • the microscope according to the invention can be a laser scanning microscope in which a wavefront manipulator for inducing a defocus and / or a wavefront manipulator for inducing a tilt of the wavefront are present.
  • the tilt can be brought about by other means, for example by galvanometer mirrors.
  • bringing about the tilt by means of wavefront manipulators is advantageous, for example with regard to the scan speeds to be achieved.
  • wavefront manipulators can also be present in the microscope according to the invention, in particular in the laser scanning microscope according to the invention, which specifically bring about other aberrations, such as, for example, a spherical aberration Coma, etc., about to compensate in the beam path induced by other optical elements occurring aberrations by causing an oppositely acting aberration.
  • the wavefront manipulator can be arranged in particular in the parallel beam path of the microscope according to the invention. Advantageously, it is arranged close to the pupil. It can also be part of the microscope objective.
  • FIG. 1 shows a wavefront manipulator with a fixed and a rotating optical element.
  • FIG 1 shows a plan view of the optical surface of the rotating optical element of Figure 1 in a schematic representation.
  • Figure 3 is a schematic representation of a plan view of the optically active surface of a rotating optical element of Figure 3 and the cross-sectional area of a beam passing through the rotating optical element.
  • FIG. 11 shows an example of a surface profile which leads to an adjustable radial linear phase in an off-axis passing beam.
  • FIG. 12 shows an example of a surface profile for a rotating optical element, which results in an adjustable linear
  • Phase of the optical element off-axis passing beam leads.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a laser scanning microscope with two wavefront manipulators.
  • FIGS. 1 and 2 A first example of a wavefront manipulator as can be used in the microscope according to the invention is described below with reference to FIGS. 1 and 2. While Figure 1 shows the wavefront manipulator in a side view, Figure 2 shows a plan view of a rotating optical element of the wavefront manipulator in a schematic representation.
  • the wavefront manipulator of the first example has a first optical element 1 and a second optical element 3. While the first optical element 1 is formed in the present example as a circular disk and is rotatable about a rotation axis RA, the second optical element 3 is fixedly arranged in the beam path. In the present example, the axis of rotation RA of the first optical element 1 runs parallel to the optical axis OA of a beam path into which the wavefront manipulator is introduced.
  • the diameter of the first optical element 1, so the rotatable optical element is so large that the beam 5 the circular disk can pass far enough away from the axial direction so that it is not blocked by a drive 7 arranged centrally in the region of the circular disk for driving the circular disk.
  • Both the first optical element 1 and the second optical element 3 have free-form surfaces 2, 4.
  • the free-form surface 2 of the first, rotatable optical element 1, which is shown schematically in FIG. 2, varies in the circumferential direction of the circular disk.
  • the surface profiles of the free-form surfaces 2, 4 are selected so that a beam 5 passing through the optical elements 1, 3 undergoes a variable defocus.
  • the degree of defocus depends on the rotational position of the disc.
  • different defocus values are successively set so that the beam 5 continuously changes from a first focus distance to a second focus distance during one rotation of the circular disk, the focus distance returning to the first focus distance when complete rotation of the circular disk is performed .
  • Different defocus states are indicated in FIG. 1 by solid lines, short dashed lines and long dashed lines.
  • the speed at which the defocus is tuned depends on the speed of the disc and can therefore be adjusted to a desired speed by setting an appropriate speed.
  • the wavefront manipulator represented in FIG. 1 a rapid scanning of the focal point in the Z-direction, that is to say along the optical axis, can take place, the scanning speed being given by the rotational speed of the rotating writing.
  • a second example of a wavefront manipulator as can be used in the microscope according to the invention, will be described below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows the wavefront manipulator in an optical beam path in a side view
  • FIG. 4 shows one of the optical elements in a plan view
  • both optical elements 101, 103 are equipped with circular discs having rotatable optical elements.
  • each of the two circular disks has a free-form surface varying over its circumferential direction, similar to the free-form surface illustrated in FIG leads to a defocus, the extent of which depends on the rotational position of the two circular discs relative to each other.
  • the different defoki are as in the first example, indicated by solid lines, short dashed lines and long dashed lines.
  • both optical elements 101, 103 are designed as rotatable circular disks
  • the speed at which the defocus is tuned from a first defocus state to a second defocus state can be increased if both circular disks are arranged in opposite directions as shown in FIG rotate.
  • the speed at which the defocus is tuned depends on the speed of the circular discs and can therefore be adjusted by a suitable speed to a desired speed.
  • the disc rotates at 10,000 revolutions per minute, this results in a frequency of 1 67 revolutions per second.
  • 22 focal distances can be set with a revolution of the circular disk 22, the 22 focus distances per second can be 1 67 times tuned.
  • the rotating circular disk from FIG. 1 it is therefore possible with the rotating circular disk from FIG. 1 to set focal distances with a frequency of 3,667 focal distances per second. If, as in the In the second example, if two counter-rotating optical elements 101, 103 are present, this number is doubled and 7333 focal distances per second can be set, ie the 22 focal distances can be set 333 times within one second.
  • the diameter of the circular path on which the beam 105 moves on the rotating disk is greater than in the present example, more beam cross-sections fit next to one another on the circular path, so that the number of adjustable focal distances in one revolution increases. In this way, the range in which the focus distance can be tuned can be increased.
  • the free-form surface does not occupy the entire circumference of the disc, but only for example half of the circumference and repeated on the other half of the circumference. In this way, the frequency with which a range of focus distances is tuned can be doubled. This applies both to a fixed 3 and a rotating optical element 1 and to two rotating optical elements 101, 103. If the free-form surface occupies only 1/3 or 1/4 of the circumference, the frequency can be further increased.
  • FIG. 5 shows a plan view of the circular disk of a rotating optical element 203 of the wavefront manipulator.
  • the wavefront manipulator may have a fixed optical element or a second rotating optical element besides the rotating optical element 203.
  • the circular disk of the rotating optical element 203 in the present example has a plurality of radial regions A, B in which different free-form surfaces 204A, 204B are formed.
  • This makes it possible to vary a first beam 205A according to a first requirement and a second beam 205B according to a second requirement. It can be two different Beams 205A, 205B are passed through the areas A and B, or it can be passed by means of a deflector, the same beam either first through the area A and after completion of a rotation through the area B or vice versa. In this way, for example, the range of focal distances accessible with the wavefront manipulator can be increased.
  • the different radial regions A, B with free-form surfaces for different wavefront manipulations, for example the region A for inducing an adjustable defocus and the region B for causing a tilting of the wavefront.
  • the two radial regions A, B further radial regions may be present, wherein the number of feasible radial regions of the diameter of the beam or the beam 205A, 205B and the diameter of the circular disc depends.
  • FIG. 3 Another example of a wavefront manipulator, as it can be used in the microscope according to the invention, is shown in FIG. This differs from the example shown in FIG. 3 in that the rotating optical elements 301, 303 have two rotating spherical cap surfaces instead of two rotating circular disks. In this example, the freeform surfaces are thus superimposed on a spherical cap surface instead of a circular surface.
  • the beam path is off-axis relative to the wavefront manipulator, so that the drives 207, 209 can act centrally on the optical elements 301, 303 in order to drive the optical elements 301, 303 in opposite directions.
  • drive elements 31 1, 313 in the region of the circumference of the optical elements 301, 303, for example, act on the spherical cap surfaces.
  • the drive elements 31 1, 313 can be configured, for example, as drive rollers or drive balls acting on the spherical cap surfaces.
  • This alternative embodiment which is also shown schematically in Figure 6, makes it possible to design the spherical cap surfaces only slightly larger than the diameter of the beam and to arrange the optical axis of the beam path through the center of the spherical caps.
  • An attacking drive on the periphery can also be realized in the circular disks of the rotatable optical elements shown in the examples described above. While transmissive wavefront manipulators have been described in the previous examples, FIG.
  • FIG. 7 shows an example of a reflective wavefront manipulator.
  • the rotating optical elements 401, 403 cylinders with reflective cylindrical surfaces and the freeform surfaces 402, 404 are superimposed on the cylindrical surfaces.
  • a beam 405 is deflected from the first rotating cylinder to the second rotating cylinder and thence to a target object.
  • a very high-frequency tuning of the manipulation region of the wavefront can be realized.
  • the wavefront manipulator shown in FIG. 3 corresponds to the transmissive wavefront manipulators from FIGS. 3 or 6.
  • free-form surfaces for rotating optical elements in the form of circular disks will be described below with reference to FIGS. 8 to 12.
  • the free-form surfaces are shown as surface profiles, wherein the circular base of the rotating elements forms the surface with the profile height zero.
  • the regions beyond the profile height zero are shown in FIGS. 8 to 12 as gray levels.
  • the grayscale scale can be taken from the respective figures. In the sense of the "approximation of thin elements", a wavefront passing through the surface profile is changed in such a way that a phase distribution proportional to the surface profile is added to the phase distribution of the surface a for the partial derivation of the surface profile proportional phase distribution is added.
  • ⁇ atan - x are converted into polar coordinates.
  • surface profile and phase of an optical element are often used synonymously in the following. This is justified in the sense of the "approximation of thin elements", since a wavefront passing through the surface profile is changed in such a way that a phase distribution proportional to the surface profile is added to its phase distribution.
  • phase distribution of a wavefront passing through a surface pair with an inverse surface is changed in the "approximation of thin elements" so that a phase distribution proportional to the partial derivation of the surface profile is added.
  • FIG. 8 shows a first surface profile of a surface pair for a wavefront manipulator, as can be used in the microscope according to the invention.
  • a Defocus ie an aberration corresponding to the Zernike polynomial Z ° 2 , is deliberately brought about and thereby the focus distance is varied.
  • the functionality of the variable focus can be achieved by rotating the surface pair in opposite directions.
  • the surface profile shown in Figure 8 is designed for the case that the optical axis of the arrangement coincides with the axis of rotation of the rotatable optical element.
  • the beam passing through the wavefront manipulator fills substantially the entire circular disk of the rotatable optical element.
  • the circular disk is shown as a solid line, the beam passing through the disk through a dashed line.
  • the surface profile shown in Figure 8 in conjunction with the inverse surface profile causes a phase change, the wavefront passing through the surface pair, which is proportional to the derivative of the surface profile on the angle ⁇ .
  • the wavefront change through the surface pair has a quadratic phase
  • the parameter a 1 ⁇ / mm 2 and r varies from 0 to 1 mm.
  • the angle range for ⁇ runs from 0 to 2 ⁇ .
  • the surface profile causes a phase change, the wavefront passing through the surface pair being proportional to the derivative of the surface profile along the angle ⁇
  • the optical axis for the arrangement must coincide with the axis of rotation, as in the surface profile shown in FIG.
  • FIG. 9 shows a surface profile with a circular disk of an axially rotatable optical element for generating a variable focus for an off-axis beam path.
  • the circular disk is indicated by a solid line and the beam passing through the disk is indicated by a dashed line.
  • the surface profile in interaction with the inverse surface profile, causes a phase change of the wavefront passing through the surface pair which is proportional to the derivation of the surface profile along the angle ⁇ .
  • the parameter a has the value ⁇ ⁇ / ⁇ 2
  • the parameter x 0 has the value 0.5 mm
  • r varies between 0 and 1 mm.
  • FIG. 10 shows a surface profile of a surface pair for an axially rotatable circular disk for producing a plurality of variable foci of different sizes for different offaxial radiation beams.
  • z, (r, ⁇ ) a 3 ⁇ r 2 ⁇ ⁇ -2 ⁇ a 3 ⁇ x 3 ⁇ r- ⁇ respectively defined in radial areas Aer n and decentered in x n.
  • the radial regions ⁇ ar extend in each case in the radial direction over 0.5 mm with a radial expansion of the rotatable circular disk of 3 mm.
  • d ⁇ p leads to a linear phase along the radial direction r.
  • This surface structure can also be used off-axis, and the phase change along the radius is constant
  • approximately plane phase fronts result, which lead to a continuous angle change with rotation of the rotatable circular disks with mutually inverse surface against each other
  • This embodiment variant is also characterized by a rotating circular disk and a fixed circular disk
  • the deflection of the radiation beam realized by the phase change follows a linear function of the angle .
  • the parameter c of the embodiment shown in FIG Surface profile has the value 1 ⁇ / mnn 2 , and the radius varies between 0 and 1 mm.
  • FIG. 12 shows a surface profile for a wavefront manipulator for generating an adjustable linear phase of the wavefront in the x direction. This corresponds to a tilt in the x direction and thus to the Zernike polynomial ZV.
  • the linear phase induced in the wavefront along the direction x is given by the equation dz
  • the surface profile can be arbitrarily used off-axis, since the surface profile in the x-direction is constant.
  • the deflection in x follows a sine function at an angle.
  • an element pair consisting of a rotatable optical element with the surface profile of FIG. 12 and an element with the inverse surface profile, a lateral scan in the x-direction can be realized.
  • the parameter c has the value 1 ⁇ / mm 2 in the present example, and r runs from 0 to 1 mm.
  • the wavefront manipulators described are used in microscopes according to the invention.
  • the use of wavefront manipulators according to the invention in a laser scanning microscope will be described below by way of example.
  • the laser scanning microscope is shown schematically in FIG. 13 and comprises an objective lens system 20, a light source 22, a detector 24 and a pinhole 26, which is arranged in a plane which is conjugate to the focal plane 28 of the laser scanning microscope.
  • a deflection mirror 30 is present, which deflects the beam path by 90 °, so that a more compact design than without deflection can be realized.
  • two lenses 30, 32 are also arranged, between which there is a parallel beam path.
  • the lens 30 thereby collimates a divergent beam emanating from the light source and the lens 32 focuses the parallel beam onto the hole in the aperture 26.
  • a lens 36 connected upstream of the detector 24, the object light is focused on the detector 24.
  • a further lens 38 which converts the divergent illumination beam emanating from the aperture 26 into a parallel beam.
  • this lens 38 focuses a collimated beam originating from the focal plane onto the hole of the perforated diaphragm 26.
  • the parallel illumination beam is finally focused by the objective lens system into the focal plane 28.
  • the object plane is given by the focal plane of the microscope.
  • the light emanating from the light source 22 is focused on the opening of the aperture plate 26. Since the pinhole 26 in one of the focal plane of the laser scanning microscope is located in the conjugate plane, the beam emanating from the pinhole diaphragm 26 is also focused in the focal plane 28. There, the illumination light is reflected by the object plane located in the focal plane 28 and passes back as object light in the plane of the aperture plate 26. Due to the fact that the pinhole 26 is in a plane conjugate to the focal plane 28, the originating from the focal plane 28 object light is in Area of the aperture plate 26 is also focused, so it can pass through the pinhole completely.
  • Object light that is reflected from another than the focal plane 28, however, is defocused in the region of the pinhole so that it is largely hidden by the pinhole 26. In this way, only light from that depth region of the object, in which the focal plane of the laser scanning microscope is located, reaches the detector 24, so that an image with a very high depth resolution can be realized.
  • a scan of the sample in the z direction, ie in the depth direction is carried out with a laser scanning microscope.
  • the focal plane is shifted by a certain amount, and an image is taken for each focus distance.
  • both the depth scan, ie the change of the focal distance, and the lateral scan are each carried out with the aid of a wavefront manipulator according to the invention.
  • the wavefront manipulators used for this purpose are located in the parallel beam path between the lens 38 and the objective lens system 20.
  • the lateral scan can also be effected by other means, for example with the aid of galvanometer mirrors.
  • the wavefront manipulators are designed to be transmissive in the present exemplary embodiment and can be realized according to one of the variants described with reference to FIGS. 1 to 6. In principle, a variant with reflective wavefront manipulators, as described with reference to FIG. 7, is also possible. In addition, it is also possible to use both transmissive and reflective wavefront manipulators simultaneously.
  • the wavefront manipulator 40 for varying the focus distance has, for example, a rotating circular disc and a stationary disc, the rotating circular disc having a surface profile as described with reference to FIG. 1, and the stationary disc having the inverse surface profile thereto.
  • it can also have two counter-rotating circular disks in order to realize a higher scanning speed can.
  • the wavefront manipulator 42 has, for example, two circular disks rotating in opposite directions, one of which has a surface profile as described with reference to FIG. 12, and the other has the inverse surface profile thereto. With the wavefront manipulator 42, therefore, there is a deflection in the x direction.
  • a wavefront manipulator for the deflection in the y-direction is not shown for the sake of clarity, but can also be present.
  • the functionality of the wavefront manipulators is not limited to the focusing or the beam deflection, but may, for example, via the segmentation in different radial areas (as shown, for example. In Figure 10) also include further phase changes. For example, it may be useful to combine beam excursion or focusing with other system aberrations, such as spherical aberrations or coma, to get better system performance.
  • wave front manipulators with circular disk-shaped rotatable elements have the advantage that Wavefront manipulators with different functionalities can be arranged spatially close to each other, which makes it possible in particular to perform the wavefront manipulations close to the pupil.
  • the present invention has been described in detail by way of example with reference to exemplary embodiments thereof. However, it is clear to a person skilled in the art that it is possible to deviate from the embodiments described.
  • a large number of further wavefront manipulations can be realized, for example those which can be described by Zernike polynomials or combinations of Zernike polynomials.
  • the surface profiles can be arranged on the input-side surface of a rotating disk or on the output-side surface of the rotating disk.
  • the surface profile such that a profile is present both on the input-side surface and on the output-side surface of the optical element and the profiles present on the input-side surface and the output-side surface together form the surface profile which is effective for wavefront manipulation ,
  • the profile heights can be kept smaller overall, as a result of which the rotatable optical elements can be arranged closer to one another, which can be advantageous in particular if several wavefront manipulators are to be arranged close to the pupil.
  • the reflective wavefront manipulators it should also be mentioned that, in addition to the example described with cylindrical rotating elements, variants with conical rotating elements are also conceivable.
  • the present invention should therefore not be limited to the use of the specific forms of the described wavefront manipulators, but only by the appended claims.

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Abstract

Es wird ein Mikroskop mit einem optischen Strahlengang und einem im optischen Strahlengang angeordneten Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einem ersten optischen Element (101, 201) und einem zweiten optischen Element (103), welches derart relativ zum ersten optischen Element (101) angeordnet oder anzuordnen ist, dass sich beide optischen Elemente (101, 103) im Strahlengang befinden, wenn der Wellenfrontmanipulator im optischen Strahlengang angeordnet ist, zur Verfügung gestellt. Das erste optische Element (101) weist eine erste Freiformfläche (102,) auf, und das zweite optische Element (103) weist eine zweite Freiformfläche (104) auf. Dabei sind das erste optische Element (101) und das zweite optische Element (103) relativ zueinander bewegbar angeordnet. Das erste optische Element (101) weist eine Radialrichtung, eine zur Radialrichtung senkrecht verlaufende Umfangsrichtung und eine senkrecht zur Radialrichtung sowie zur Umfangsrichtung verlaufende Rotationsachse (RA) auf. Außerdem ist das erste optische Element um die Rotationsachse (RA) drehbar gelagert, und es ist ein auf das erste optische Element (101) zum Drehen des ersten optischen Elements (101) einwirkender Antrieb (107) vorhanden. Die erste Freiformfläche (102) variiert zumindest in Umfangsrichtung des ersten optischen Elements (101).

Description

Mikroskop mit Wellenfrontmanipulator
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikroskop mit einem optischen Strahlengang und einem im optischen Strahlengang angeordneten Wellenfrontmanipulator, welcher wenigstens ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element umfasst, wobei das erste optische Element eine erste Freiformfläche und das zweite optische Element eine zweite Freiformfläche aufweist und wobei das erste optische Element und das zweite optische Element relativ zueinander bewegbar sind. Daneben betrifft die Erfindung ein optisches Gerät mit einem derartigen Wellenfrontmanipulator.
Die bisher verwendeten Lösungen zum Manipulieren von Wellenfronten haben technisch bedingt einen begrenzten Dynamikbereich. So führen klassische Alvarezelemente, wie sie beispielsweise in US 3,305,294 beschrieben sind, eine gegenläufige Linearbewegung zweier optischer Komponenten aus, wobei die optischen Komponenten mit Freiformflächen ausgestattet sind, welche je nach Relativstellung der optischen Komponenten zueinander zu einer Wellenfrontmanipulation in einem vorgegebenen Bereich führen. Die Dynamik eines solchen Alvarezelementes wird dadurch begrenzt, dass die nötige Hin- und Herbewegung Umkehrpunkte aufweist, so dass die Elemente jeweils abgebremst und in die entgegengesetzte Richtung neu beschleunigt werden müssen.
Daneben sind zum veränderlichen Ablenken eines Strahlenbündels bewegliche Ablenkelemente wie etwa Galvanoscanner bekannt, bei denen jedoch ebenfalls eine bewegliche Masse in einem Umkehrpunkt abgebremst und in die entgegengesetzte Richtung neu beschleunigt werden muss. Auch bei diesen Elementen ist der Dynamikbereich daher begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mikroskop mit einem optischen Strahlengang und einem im optischen Strahlengang angeordneten Wellenfrontmanipulator zur Verfügung zu stellen, in welchem eine Wellenfront mit einer hohen zeitliche Dynamik manipuliert werden kann, d.h. die Geschwindigkeit der Änderung der Wellenfront hoch ist.
Die genannte Aufgabe wird durch ein Mikroskop nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Im erfindungsgemäßen Mikroskop mit einem optischen Strahlengang und einem im optischen Strahlengang angeordneten Wellenfrontmanipulator umfasst der Wellenfrontmanipulator wenigstens ein erstes optisches Element und ein zweites optisches Element, welches derart relativ zum ersten optischen Element angeordnet oder anzuordnen ist, dass sich beide optischen Elemente im Strahlengang befinden, wenn der Wellenfrontmanipulator im optischen Strahlengang, insbesondere in einem parallelen optischen Strahlengang, angeordnet ist. Das erste optische Element weist eine erste Freiformfläche auf und das zweite optische Element eine zweite Freiformfläche, wobei das erste optische Element und das zweite optische Element relativ zueinander bewegbar angeordnet sind. Im erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator besitzt das erste optische Element eine radiale Richtung und eine zur radialen Richtung senkrecht verlaufende Umfangsrichtung, wobei die erste Freiformfläche zumindest in Umfangsrichtung des ersten optischen Elements variiert. Au ßerdem weist das erste optische Element eine senkrecht zur Radialrichtung und senkrecht zur Umfangsrichtung verlaufende Rotationsachse auf, wobei das erste optische Element um die Rotationsachse drehbar gelagert ist. Zudem umfasst der Wellenfrontmanipulator ein auf das erste optische Element zum Drehen desselben einwirkenden Antrieb. Im erfindungsgemäßen Mikroskop können die erste Freiformfläche und die zweite Freiformfläche insbesondere so gewählt sein, dass ein durch die optischen Elemente hindurchtretendes Strahlenbündel einen variablen Defokus erfährt und das Mikroskop eine Steuereinheit umfasst, die durch Variieren des Defokus die Fokusebene nacheinander in unterschiedliche Entfernungen verschiebt und veranlasst, dass das Mikroskop nacheinander Licht aus diesen unterschiedlichen Entfernungen detektiert. Im erfindungsgemäßen Mikroskop kann die zum Manipulieren der Wellenfront benötigte Freiformfläche in Umfangsrichtung auf das drehbare optische Element des Wellenfrontmanipulators aufgebracht werden. Die Wellenfrontmanipulation erfolgt dabei bei einer Drehung des ersten optischen Elementes in einem durch die Freiformfläche gegebenen Modulationsbereich, wobei spätestens nach einer Umdrehung des optischen Elements ein Sprung vom Ende des Modulationsbereiches zurück zum Anfang des Modulationsbereiches erfolgt. Ein wiederholtes Durchlaufen des von der Freiformfläche vorgegebenen Manipulationsbereiches kann somit durch eine kontinuierliche Rotation des Elements realisiert werden, so dass es nicht nötig ist, das optische Element abzubremsen und in entgegengesetzter Richtung zu beschleunigen. Dadurch lässt sich die Dynamik der Wellenfrontmanipulation gegenüber den bekannten Wellenfrontmanipulatoren erhöhen. Die Frequenz, mit der der Modulationsbereich durchlaufen wird, ist dabei durch die Drehfrequenz des rotierenden optischen Elements gegeben. Wenn die Freiformfläche derart ausgestaltet ist, dass sie zwei oder mehr in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete identische Abschnitte aufweist, kann die Frequenz, mit der der Modulationsbereich durchlaufen wird, auf ein n-faches der Rotationsfrequenz des optischen Elements erhöht werden, wobei n der Anzahl der in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten identischen Abschnitte angibt. Auf diese Weise lassen sich sehr hohe Frequenzen beim Durchlaufen des Modulationsbereiches und damit sehr hohe Modulationsfrequenzen realisieren.
Ebenfalls sehr hohe Modulationsfrequenzen lassen sich realisieren, wenn auch das zweite optische Element eine Radialrichtung, eine zur Radialrichtung senkrecht verlaufenden Umfangsrichtung und eine senkrecht zur Radialrichtung sowie zur Umfangsrichtung verlaufenden Rotationsachse aufweist, wobei das zweite optische Element um die Rotationsachse drehbar gelagert ist, die zweite Freiformfläche zumindest in Umfangsrichtung des zweiten optischen Elements variiert und ein auf das zweite optische Element zum Drehen desselben einwirkender Antrieb vorhanden ist, welcher das zweite optische Element gegenläufig zum ersten optischen Element dreht. Der Antrieb kann dabei derselbe Antrieb sein, der auch das erste optische Element dreht, wenn ein geeignetes Getriebe vorhanden ist, welches das gegenläufige Drehen der beiden optischen Elemente ermöglicht. Durch das gegenläufige Drehen der optischen Elemente kann die Winkelgeschwindigkeit der beiden optischen Elemente relativ zueinander verdoppelt werden, wodurch sich auch die Frequenz, mit der der durch die Freiformflächen definierte Modulationsbereich der Wellenfront durchlaufen wird. Gegenläufig rotierende Elemente mit Freiformflächen, die mindestens zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete identische Abschnitte aufweisen, ermöglichen eine weitere Frequenzerhöhung, so dass ein sehr rasches Durchlaufen des Manipulationsbereiches möglich wird.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, das zweite optische Element statt drehbar fix anzuordnen, was es ermöglicht, das zweite optische Element gegenüber dem optischen Element deutlich kleiner auszugestalten. Außerdem wird dann nur ein rotierendes optisches Element benötigt, was den Aufbau des Wellenfrontmanipulators vereinfacht.
Wenn das rotierende optische Element oder die rotierenden optischen Elemente dezentral zum Strahlengang angeordnet ist bzw. sind, kann der Antrieb zum Rotieren des optischen Elements bzw. der optischen Elemente zentral im jeweiligen optischen Element angeordnet sein. Dadurch kann eine gleichmäßige Kräfte- und Momentenverteilung realisiert werden, was zu einer sehr gleichmäßigen Rotation führt.
Im erfindungsgemäßen Mikroskop kann die Freiformfläche bzw. können die Freiformflächen des Wellenfrontmanipulators derart ausgebildet sein, dass bei einer Drehung des drehbaren optischen Elementes bzw. der drehbaren optischen Elemente ein durch wenigstens ein ausgesuchtes Zernikepolynom Z'j beschriebener Wellenfrontanteil in einem vorgegebenen Bereich variiert wird. Die Zernikepolynome Z'j repräsentieren Wellenfrontanteile, die jeweils einen definierten optischen Abbildungsfehler repräsentieren. So repräsentieren die Zernikepolynome Z1 i und Z"1 i jeweils eine Verkippung der Wellenfront in x-Richtung bzw. y-Richtung, das Zernikepolynom Z°2 das Einbringen eines Defokus in die Wellenfront, die Zernikepolynome Z"2 2 und Z2 2 jeweils das Einbringen eines Astigmatismus in die Wellenfront, die Zernikepolynome Z"1 3 und Z1 3 jeweils das Einbringen einer Koma in die Wellenfront, das Zernikepolynom Z° das Einbringen einer sphärischen Aberration, etc. Mit einer geeigneten Ausgestaltung der Freiformflächen lassen sich einzelne der genannten Abbildungsfehler oder Kombinationen aus den genannten Abbildungsfehlern gezielt herbeiführen. Das Verkippen der Wellenfront kann dabei beispielsweise zum Durchführen eines lateralen Scans und der Defokus zum Durchführen eines Tiefenscans (z-scans) nutzen.
In einer ersten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroskops ist wenigstens eines der optischen Elemente des Wellenfrontmanipulators transmissiv ausgebildet und weist eine erste Grundfläche sowie eine zur ersten Grundfläche parallel verlaufende zweite Grundfläche auf, wobei die in Umfangsrichtung variierende Freiformfläche durch eine auf der ersten Grundfläche gebildete Freiformfläche und/oder eine auf der zweiten Grundfläche gebildete Freiformfläche realisiert ist. Die erste Grundfläche und die zweite Grundfläche können Kreisflächen oder Kugelkalottenflächen sein. In dieser Ausführungsvariante kann auch jedes der optischen Elemente transmissiv ausgebildet sein, so dass der Wellenfrontmanipulator ausschließlich aus transmissiven optischen Elementen besteht. In diesem Fall kann insbesondere auch jedes der optischen Elemente eine erste Grundfläche und eine zur ersten Grundfläche parallel verlaufende zweite Grundfläche aufweisen, wobei die Wellenfrontmanipulation durch eine auf der ersten Grundfläche gebildete Freiformfläche und/oder eine auf der zweiten Grundfläche gebildete Freiformfläche realisiert sein kann.
In der ersten Ausführungsvariante kann jedes der transmissiv ausgebildeten optischen Elemente wenigstens zwei aneinander nicht überlappende radiale Abschnitte aufweisen, wobei in den aneinander nicht überlappenden radialen Abschnitten auf der ersten Grundfläche und/oder auf der zweiten Grundfläche unterschiedliche Freiformflächen ausgebildet sind. Die unterschiedlichen Freiformflächen können dabei jeweils denselben Abbildungsfehler herbeiführen, also beispielsweise jeweils einen Defokus, jedoch mit unterschiedlichen Abstandsbereichen, den der Fokuspunkt relativ zum Wellenfrontmanipulator durchläuft, so dass der Fokuspunkt in Abhängigkeit vom radialen Abschnitt, durch den das scannende Strahlenbündel hindurchtritt, jeweils unterschiedliche Tiefenbereiche in einer zu untersuchenden Probe durchläuft. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass die radialen Abschnitte jeweils eine Verkippung der Wellenfront herbeiführen, wobei die Kippwinkel jeweils unterschiedliche Winkelbereiche durchlaufen, bspw. 0 bis 3 Grad, 3 bis 6 Grand, usw. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den radialen Abschnitten unterschiedliche Wellenfrontfehler zuzuordnen, so dass beispielsweise ein radialer Abschnitt eine Freiformfläche aufweist, die einen Defokus herbeiführt, wohingegen ein anderer radialer Abschnitt eine Freiformfläche aufweist, die eine Verkippung der Wellenfront herbeiführt.
In einer zweiten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Mikroskops weist wenigstens eines der optischen Elemente des Wellenfrontmanipulators eine reflektierende zylindermantelförmige oder kegelmantelförmige Randfläche auf. Die in Umfangsrichtung variierende Freiformfläche ist dann durch eine auf der reflektierenden zylindermantelförmigen oder kegelmantelförmigen Randfläche gebildete Freiformfläche realisiert. Insbesondere kann in dieser Ausführungsvariante jedes der optischen Elemente eine reflektierende Fläche aufweisen, so dass der Wellenfrontmanipulator ein ausschließlich reflektiver Wellenfrontmanipulator ist. Dabei kann insbesondere jedes der optischen Elemente eine reflektierende zylindermantelförmige oder kegelmantelförmige Randfläche aufweisen, wobei eine in Umfangsrichtung variierende Freiformfläche durch eine auf der reflektierenden zylindermantelförmigen oder kegelmantelförmigen Randfläche gebildete Freiformfläche realisiert ist. Weiterhin besteht in dieser Ausführungsvariante des Mikroskops die Möglichkeit, dass jede der zylindermantelförmigen oder kegelmantelförmigen Randflächen senkrecht zur Umfangsrichtung wenigstens zwei aneinander nicht überlappende Abschnitte aufweist, wobei in den nicht überlappenden Abschnitten der Randfläche unterschiedliche Freiformflächen ausgebildet sind. Für diese Freiformflächen gilt das, was hinsichtlich der Freiformflächen in verschiedenen radialen Abschnitten der transmissiven rotierenden Elemente der ersten Ausführungsvariante des Mikroskops ausgeführt worden ist, analog. Das erfindungsgemäße Mikroskop kann insbesondere ein Laser-Scanning- Mikroskop sein, in welchem ein Wellenfrontmanipulator zum Herbeiführen eines Defokus und/oder ein Wellenfrontmanipulator zum Herbeiführen einer Verkippung der Wellenfront vorhanden sind.
Wenn im erfindungsgemäßen Mikroskop, insbesondere im erfindungsgemäßen Laser-Scanning-Mikroskop, lediglich ein Wellenfrontmanipulator zum Herbeiführen eines Defokus vorhanden ist, kann die Verkippung durch andere Mittel herbeigeführt werden, bspw. durch Galvanometerspiegel. Das Herbeiführen der Verkippung mit Hilfe von Wellenfrontmanipulatoren ist jedoch Vorteilhaft, bspw. im Hinblick auf die zu erzielenden Scangeschwindigkeiten. Zusätzlich oder alternativ zu einem Wellenfrontmanipulator zum Herbeiführen eines Defokus und/oder einem Wellenfrontmanipulator zum Herbeiführen Verkippung können im erfindungsgemäßen Mikroskop, insbesondere im erfindungsgemäßen Laser- Scanning-Mikroskop, auch Wellenfrontmanipulatoren vorhanden sein, die andere Abbildungsfehler gezielt herbeiführen, wie beispielsweise eine sphärische Aberration, eine Koma, etc., etwa um im Strahlengang durch andere optische Elemente induzierte auftretende Abbildungsfehler durch Herbeiführen eines entgegengesetzt wirkenden Abbildungsfehlers zu kompensieren. Der Wellenfrontmanipulator kann insbesondere im parallelen Strahlengang des erfindungsgemäßen Mikroskops angeordnet sein. Vorteilhaferweise ist er pupillennah angeordnet. Außerdem kann er Teil des Mikroskopobjektivs sein.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. zeigt einen Wellenfrontmanipulator mit einem feststehenden und einem rotierenden optischen Element. zeigt eine Draufsicht auf die optische Fläche des rotierenden optischen Elements aus Figur 1 in einer schematischen Darstellung. zeigt einen Wellenfrontmanipulator mit zwei rotierenden optischen Elementen. ist eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die optische wirksame Fläche eines rotierenden optischen Elements aus Figur 3 und der Querschnittsfläche eines durch das rotierende optische Element hindurchtretenden Strahlenbündels. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Draufsicht auf die optische wirksame Fläche eines weiteren Wellenfrontmanipulators. zeigt einen Wellenfrontmanipulator, welcher zwei rotierende optische Elemente in Form von Kugelkalottenflächen aufweist. zeigt einen Wellenfrontmanipulator, welcher rotierende Zylinder mit verspiegelten Flächen aufweist. zeigt ein Beispiel für ein Oberflächenprofil eines rotierenden optischen Elementes, welches zu einem Defokus führt. zeigt ein Beispiel für ein Oberflächenprofil eines rotierenden optischen Elements, welches zu einem variablen Fokus für ein außeraxial passierendes Strahlenbündel führt. zeigt ein Beispiel für ein Oberflächenprofil, welches in einem außeraxial passierenden Strahlenbündel in Abhängigkeit vom radialen Bereich, in dem das Strahlenbündel den Wellenfrontmanipulator passiert, zu verschiedenen variablen Defokusbereichen führt. Figur 1 1 zeigt ein Beispiel für ein Oberflächenprofil, welches zu einer einstellbaren radialen linearen Phase in einem außeraxial passierenden Strahlenbündel führt.
Figur 12 zeigt ein Beispiel für ein Oberflächenprofil für ein rotierendes optisches Element, welches zu einer einstellbaren linearen
Phase eines das optische Element außeraxial passierenden Strahlenbündels führt.
Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Laser-Scanning- Mikroskops mit zwei Wellenfrontmanipulatoren.
Ein erstes Beispiel für einen Wellenfrontmanipulator, wie er im erfindungsgemäßen Mikroskop zum Einsatz kommen kann, wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschrieben. Während Figur 1 den Wellenfrontmanipulator in einer Seitenansicht zeigt, zeigt Figur 2 eine Draufsicht auf ein rotierendes optisches Element des Wellenfrontmanipulators in einer schematischen Darstellung.
Der Wellenfrontmanipulator des ersten Beispiels weist ein erstes optisches Element 1 und ein zweites optisches Element 3 auf. Während das erste optische Element 1 im vorliegenden Beispiel als Kreisscheibe ausgebildet und um eine Rotationsachse RA drehbar ist, ist das zweite optische Element 3 fix im Strahlengang angeordnet. Die Rotationsachse RA des ersten optischen Elements 1 verläuft im vorliegenden Beispiel parallel zur optischen Achse OA eines Strahlengangs, in den der Wellenfrontmanipulator eingebracht ist. Während das fix im Strahlengang angeordnete zweite optische Element 3 eine Größe aufweist, die ausreichend ist, das Strahlenbündel 5 im Strahlengang vollständig passieren zu lassen, ist der Durchmesser des ersten optischen Elements 1 , also des drehbaren optischen Elements, so groß, dass das Strahlenbündel 5 die Kreisscheibe weit genug außeraxial passieren kann, damit es durch einen zentrisch im Bereich der Kreisscheibe angeordneten Antrieb 7 zum Antreiben der Kreisscheibe nicht blockiert wird. Sowohl das erste optische Element 1 als auch das zweite optische Element 3 weisen Freiformflächen 2, 4 auf. Die Freiformfläche 2 des ersten, drehbaren optischen Elements 1 , die in Figur 2 schematisch dargestellt ist, variiert in Umfangsrichtung der Kreisscheibe. Die Oberflächenprofile der Freiformflächen 2, 4 sind so gewählt, dass ein durch die optischen Elemente 1 , 3 hindurchtretendes Strahlenbündel 5 einen variablen Defokus erfährt. Der Grad des Defokus hängt dabei von der Drehstellung der Kreisscheibe ab. Durch Drehen ersten optischen Elements 1 werden so nacheinander unterschiedliche Defoki einstellt, so dass das Strahlenbündel 5 während einer Umdrehung der Kreisscheibe kontinuierlich von einem ersten Fokusabstand zu einem zweiten Fokusabstand wechselt, wobei der Fokusabstand zum ersten Fokusabstand zurückspringt, wenn eine vollständige Rotation der Kreisscheibe durchgeführt ist. Unterschiedliche Defokuszustände sind in Figur 1 durch durchgezogene Linien, kurz gestrichelte Linien und langgestrichelte Linien angedeutet. Die Geschwindigkeit, mit der der Defokus durchgestimmt wird, hängt von der Drehzahl der Kreisscheibe ab und kann daher durch Einstellen einer geeigneten Drehzahl auf eine gewünschte Geschwindigkeit eingestellt werden. Mit dem in Figur 1 darstellten Wellenfrontmanipulator kann ein rasches Scannen des Fokuspunktes in Z-Richtung, also entlang der optischen Achse, erfolgen, wobei die Scangeschwindigkeit durch die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Schreibe gegeben ist.
Ein zweites Beispiel für einen Wellenfrontmanipulator, wie er im erfindungsgemäßen Mikroskop zum Einsatz kommen kann, wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 beschreiben.
Figur 3 zeigt den Wellenfrontmanipulator in einem optischen Strahlengang in einer Seitenansicht, wohingegen Figur 4 eines der optischen Elemente in einer Draufsicht zeigt. Im Unterschied zum ersten Beispiel sind im zweiten Beispiel beide optischen Elemente 101 , 103 als Kreisscheiben aufweisende rotierbare optische Elemente ausgestattet. Jede der beiden Kreisscheiben weist im vorliegenden Beispiel eine über ihre Umfangsrichtung variierende Freiformfläche ähnlich der in Figur 2 dargestellten Freiformfläche auf, welche zu einem Defokus führt, dessen Ausmaß von der Drehstellung der beiden Kreisscheiben relativ zueinander abhängt. Die unterschiedlichen Defoki sind wie im ersten Beispiel, durch durchgezogene Linien, kurz gestrichelte Linien und lang gestrichelte Linien angedeutet. Dadurch, dass im zweiten Beispiel beide optischen Elemente 101 , 103 als drehbare Kreisscheiben ausgebildet sind, kann die Geschwindigkeit mit der der Defokus von einem ersten Defokuszustand zu einem zweiten Defokuszustand durchgestimmt wird, erhöht werden, wenn beide Kreisscheiben wie in Figur 3 angeordnet, gegenläufig zueinander rotieren. Auch hier ist die Geschwindigkeit, mit der der Defokus durchgestimmt wird, von der Drehzahl der Kreisscheiben abhängig und kann daher durch eine geeignete Drehzahl auf eine gewünschte Geschwindigkeit eingestellt werden.
Die erreichbaren Geschwindigkeiten, mit der bei einem Wellenfrontmanipulator gemäß dem ersten Beispiel und bei einem Wellenfrontmanipulator gemäß dem zweiten Beispiel der Defokus von einem ersten Defokusabstand zu einem zweiten Defokusabstand durchgestimmt werden kann, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figur 4 erläutert. Angenommen bei einem Wellenfrontmanipulator gemäß dem ersten Beispiel, also bei einem Wellenfrontmanipulator mit einem drehbaren optischen Element und einem fix im Strahlengang angeordneten optischen Element, beträgt der Durchmesser Ds des Strahlenbündels 5 14 mm, und der Durchmesser des Kreises, auf dem sich der Mittelpunkt des Strahlenbündels 5 während einer Umdrehung der Kreissscheibe bewegt, beträgt 100 mm, so beträgt der Umfang der Kreisbahn etwa 314 mm, so dass das Strahlenbündel mit 14 mm Durchmesser ca. 22 mal nebeneinander auf die Kreisbahn passt. Wenn die Kreisscheibe beispielsweise mit 10.000 Umdrehung pro Minute rotiert, ergibt sich dadurch eine Frequenz von 1 67 Umdrehung pro Sekunde. Wenn die 22 Strahlquerschnitte, die auf der Kreisbahn der rotierenden Scheibe Platz finden, jeweils einen Fokusabstand repräsentieren, können mit einer Umdrehung der Kreisscheibe 22 Fokusabstände eingestellt werden, wobei die 22 Fokusabstände pro Sekunde 1 67 mal durchgestimmt werden können. Insgesamt lassen sich daher mit der rotierenden Kreisscheibe aus Figur 1 Fokusabstände mit einer Frequenz von 3.667 Fokusabständen pro Sekunde einstellen. Wenn, wie im zweiten Beispiel zwei gegenläufig rotierende optische Elemente 101 , 103 vorhanden sind, verdoppelt sich diese Zahl, und es können 7.333 Fokusabstände pro Sekunde eingestellt werden, d.h. die 22 Fokusabstände können 333 mal innerhalb einer Sekunde eingestellt werden. Wenn der Durchmesser der Kreisbahn, auf der sich das Strahlenbündel 105 auf der rotierenden Scheibe bewegt, größer als im vorliegenden Beispiel ist, passen mehr Strahlenbündelquerschnitte nebeneinander auf die Kreisbahn, so dass sich die Anzahl der bei einem Umlauf einstellbaren Fokusabstände erhöht. Auf diese Weise kann der Bereich, in dem der Fokusabstand durchgestimmt werden kann, erhöht werden.
Es besteht aber noch eine weitere die Möglichkeit, die Geschwindigkeit, mit der die Fokusabstände eingestellt werden, zu erhöhen. Diese Möglichkeit besteht darin, dass die Freiformfläche nicht den gesamten Umfang der Scheibe einnimmt, sondern nur beispielsweise die Hälfte des Umfangs und sich auf der anderen Hälfte des Umfangs wiederholt. Auf diese Weise kann die Frequenz, mit der ein Bereich an Fokusabständen durchgestimmt wird, verdoppelt werden. Dies gilt sowohl bei einem fixen 3 und einem rotierenden optischen Element 1 als auch bei zwei rotierenden optischen Elementen 101 , 103. Wenn die Freiformfläche lediglich 1 /3 oder 1 /4 des Umfangs einnimmt, kann die Frequenz weiter erhöht werden.
Ein weiteres Beispiel für einen Wellenfrontmanipulator, wie er im erfindungsgemäßen Mikroskop zum Einsatz kommen kann, ist in Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf die Kreisscheibe eines rotierenden optischen Elements 203 des Wellenfrontmanipulators. In diesem Beispiel kann der Wellenfrontmanipulator neben dem rotierenden optischen Element 203 ein fixes optisches Element oder eine zweites rotierendes optisches Element aufweisen.
Im Unterschied zu den ersten beiden Beispielen weist die Kreisscheibe des rotierenden optischen Elements 203 im vorliegenden Beispiel mehrere radiale Bereiche A, B auf, in denen unterschiedliche Freiformflächen 204A, 204B ausgebildet sind. Dies ermöglicht es, ein erstes Strahlenbündel 205A gemäß einem ersten Erfordernis zu variieren und ein zweites Strahlenbündel 205B gemäß einem zweiten Erfordernis. Dabei können zwei verschiedene Strahlenbündel 205A, 205B durch die Bereiche A und B hindurchgeleitet werden, oder es kann mittels eines Ablenkers dasselbe Strahlenbündel entweder zuerst durch den Bereich A hindurchgeleitet werden und nach Vollendung einer Umdrehung durch den Bereich B oder umgekehrt. Auf diese Weise kann beispielsweise der mit dem Wellenfrontmanipulator zugängliche Bereich an Fokusabständen vergrößert werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die unterschiedlichen radialen Bereiche A, B mit Freiformflächen für unterschiedliche Wellenfrontmanipulationen zu versehen, beispielsweise den Bereich A zum Herbeiführen eines einstellbaren Defokus und den Bereich B zum Herbeiführen einer Verkippung der Wellenfront. Außerdem können außer den zwei radialen Bereichen A, B weitere radiale Bereiche vorhanden sein, wobei die Anzahl der realisierbaren radialen Bereiche von dem Durchmesser des Strahlenbündels bzw. der Strahlenbündel 205A, 205B und den Durchmesser der Kreisscheibe abhängt.
Ein weiteres Beispiel für einen Wellenfrontmanipulator, wie er im erfindungsgemäßen Mikroskop zum Einsatz kommen kann, ist in Figur 6 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem in Figur 3 dargestellten Beispiel dadurch, dass die rotierenden optischen Elemente 301 , 303 statt zweier rotierender Kreisscheiben, zwei rotierende Kugelkalottenflächen aufweisen. In diesem Beispiel sind die Freiformflächen somit statt einer Kreisfläche einer Kugelkalottenfläche überlagert. Wie im in Figur 3 dargestellten Beispiel verläuft der Strahlengang außeraxial zum Wellenfrontmanipulator, so dass die Antriebe 207, 209 zum gegenläufigen Antreiben der optischen Elemente 301 , 303 zentral an den optischen Elementen 301 , 303 angreifen können. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, Antriebselemente 31 1 , 313 im Bereich des Umfangs der optischen Elemente 301 , 303 bspw. an den Kugelkalottenflächen angreifen zu lassen. Die Antriebselemente 31 1 , 313 können beispielsweise als auf die Kugelkalottenflächen einwirkende Antriebswalzen oder Antriebskugeln ausgestaltet sein. Diese alternative Ausgestaltung, die in Figur 6 ebenfalls schematisch eingezeichnet ist, ermöglicht es, die Kugelkalottenflächen nur wenig größer als den Durchmesser des Strahlenbündels auszugestalten und die optische Achse des Strahlengangs durch das Zentrum der Kugelkalotten hindurchgehend anzuordnen. Ein am Umfang angreifender Antrieb kann auch bei den Kreisscheiben der in den zuvor beschriebenen Beispielen dargestellten drehbaren optischen Elemente realisiert werden. Während in den bisherigen Beispielen transmissive Wellenfrontmanipulatoren beschrieben worden sind, zeigt Figur 7 ein Beispiel für einen reflektiven Wellenfrontmanipulator. In diesem sind die rotierenden optischen Elemente 401 , 403 Zylinder mit reflektierenden Zylinderflächen und die Freiformflächen 402, 404 sind den Zylinderflächen überlagert. Ein Strahlenbündel 405 wird vom ersten rotierenden Zylinder zum zweiten rotierenden Zylinder und von dort zu einem Zielobjekt abgelenkt. Durch die in Figur 7 dargestellte gegenläufige Rotation kann ein sehr hochfrequentes Durchstimmen des Manipulationsbereiches der Wellenfront realisiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen der beiden rotierenden Zylinder durch eine fixe Reflektionsfläche mit einer überlagerten Freiformfläche zu ersetzen, so dass man einen zum transmissiven Wellenfrontmanipulator auf Figur 1 analogen reflektiven Wellenfrontmanipulator erhält. Der in Figur 3 dargestellte Wellenfrontmanipulator entspricht dagegen den transmissiven Wellenfrontmanipulatoren aus den Figuren 3 oder 6.
Konkrete Freiformflächen für rotierende optische Elemente in Form von Kreisscheiben, wie sie in den Figuren 1 bis 5 dargestellt sind, werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 8 bis 12 beschrieben. In diesen Figuren sind die Freiformflächen als Oberflächenprofile dargestellt, wobei die kreisförmige Grundfläche der rotierenden Elemente die Fläche mit der Profilhöhe null bildet. Die über die Profilhöhe null hinausgehenden Bereiche sind in den Figuren 8 bis 12 als Graustufen dargestellt. Die Graustufenskala ist den jeweiligen Figuren zu entnehmen. Im Sinne der„Näherung dünner Elemente" wird eine durch das Oberflächenprofil hindurchtretende Wellenfront derart verändert, dass zu deren Phasenverteilung eine zum Oberflächenprofil proportionale Phasenverteilung hinzuaddiert wird. Die Phasenverteilung einer durch ein Oberflächenpaar hindurchtretenden Wellenfront wird in der„Näherung dünner Elemente" so verändert, dass eine zur partiellen Ableitung des Oberflächenprofils proportionale Phasenverteilung hinzuaddiert wird.
In den beispielhaft dargestellten Oberflächenprofilen werden gemäß der Lehre von Alvares zwei dicht bei einander angeordnete Flächen mit inverser Profilhöhe genutzt, so dass sich in Nullstellung die Wirkungen der Flächen gegeneinander aufheben. Bei Bewegung einer Fläche gegenüber der anderen ergibt sich eine Phasenänderung, die proportional zu der partiellen Ableitung der Oberflächenform entlang der Bewegungsrichtung ist. Dies führt in kartesischen Koordinaten auf Funktionale wie z(x,y) = x2 + y3 / 3, die, wenn in y verschoben, entsprechend ihrem Gradienten in y dz/dy = x2 + y2 zu von der Verschiebung abhängigen quadratischen Phasenthermen führen, die mit einer Defokussierung in Abhängigkeit von der linearen Verschiebung einhergehen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist diese Betrachtung auf Polarkoordinaten erweitert, um einen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad für die Phasenänderung in einem optischen System zu nutzen. Es gibt zwei Vorteile dieser Ausführung: 1 . Aufgrund der Rotationsbewegung - und des damit einhergehenden Wegfalls der Umkehrbewegung - sind große Bewegungsgeschwindigkeiten möglich.
2. Es können kleine Bauformen realisiert werden, da die Lösung rotationssymmetrisch und damit passend zur Geometrie üblicher Linsensysteme ausgestaltet werden kann.
Nachfolgend werden anhand der Figuren 8 bis 12 einfache Beispiele für Oberflächenprofile von rotierenden Flächen beschrieben, mit denen eine erweiterte Schärfentiefe, ein dynamischer Fokus und eine dynamische Ablenkung erreicht werden können, indem Platten mit Flächenformen, die analytisch beschreibbar sind, rotiert werden. Dabei finden Polarkoordinaten Verwendung, wobei die Polarkoordinaten durch den Radius r und den Winkel φ einer in Radialrichtung verlaufenden Geraden zu einer vorgegebenen Referenzrichtung bzw. Referenzgeraden gegeben sind. Kartesische Koordinaten können gemäß der Gleichungen
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*
φ = atan - x in Polarkoordinaten umgerechnet werden. Entsprechend können Polarkoordinaten gemäß der Gleichungen x = r■ cos m y = T ■ sin φ
In kartesische Koordinaten umgerechnet werden.
Die Begriffe Oberflächenprofil und Phase eines optischen Elements werden im nachfolgenden oft synonym verwendet. Dies ist im Sinne der„Näherung dünner Elemente" gerechtfertigt, da eine durch das Oberflächenprofil hindurchtretende Wellenfront derart verändert wird, dass zu deren Phasenverteilung eine zum Oberflächenprofil proportionale Phasenverteilung hinzuaddiert wird.
Die Phasenverteilung einer durch ein Oberflächenpaar mit inverser Oberfläche hindurchtretenden Wellenfront wird in der „Näherung dünner Elemente" so verändert, dass eine zur partiellen Ableitung des Oberflächenprofils proportionale Phasenverteilung hinzuaddiert wird.
Figur 8 zeigt ein erstes Oberflächenprofil eines Flächenpaares für einen Wellenfrontmanipulator, wie er im erfindungsgemäßen Mikroskop zum Einsatz kommen kann. Mittels des in Figur 8 dargestellten Oberflächenprofils in Zusammenwirkung mit einem im Strahlengang nach diesem Oberflächenprofil angeordnetem zweiten inversen Oberflächenprofil wird ein Defokus, also eine dem Zernikepolynom Z°2 entsprechende Aberration, gezielt herbeigeführt und dadurch der Fokusabstand variiert. Das Oberflächenprofil ist dabei z = z(r, φ) = a-r2- φ. Diese Gleichung beschreibt ein Oberflächenprofil, das einer Spirale mit einer Unstetigkeit bei φ = 0 entspricht. Die Funktionalität des variablen Fokus lässt sich durch gegensätzliches Rotieren des Oberflächenpaares erreichen.
Das in Figur 8 dargestellte Oberflächenprofil ist für den Fall ausgestaltet, dass die optische Achse der Anordnung mit der Drehachse des drehbaren optischen Elementes zusammenfällt. Mit anderen Worten, das durch den Wellenfrontmanipulator hindurchtretende Strahlenbündel füllt im Wesentlichen die gesamte Kreisscheibe des drehbaren optischen Elementes aus. In Figur 8 ist die kreisförmige Scheibe als durchgezogene Linie eingezeichnet, das durch die Kreisscheibe hindurchtretende Strahlenbündel durch eine gestrichelte Linie.
Das in Figur 8 dargestellte Oberflächenprofil bewirkt im Zusammenspiel mit dem inversen Oberflächenprofil eine Phasenänderung, der das Oberflächenpaar durchlaufenden Wellenfront, die proportional der Ableitung des Oberflächenprofils nach dem Winkel φ ist. Die Wellenfrontänderung durch das Oberflächenpaar weist eine quadratische Phase
auf, welche proportional zu einer Fokusänderung ist. Die Magnitude des Defokus hängt vom Grad der Verdrehung des Oberflächenpaares ab. Nach einer vollen Rotation der Kreisscheibe kehrt der Fokusabstand zu seinem Ausgangswert zurück, wenn der Drehwinkel φ = 0 passiert wird.
In dem in Figur 8 dargestellten Beispiel beträgt der Parameter a = 1 μιτι/mm2 und r variiert von 0 bis 1 mm. Der Winkelbereich für φ läuft von 0 bis 2π. Ein nicht dargestelltes Oberflächenprofil, das in Verbindung mit dem inversen Oberflächenprofil einer Variation der primären sphärischen Aberration sowie sphärischer Aberration höherer Ordnungen bewirkt, ist durch die Gleichung z = z(rrtp) mit z = c · r* + d · r6 + "· φ gegeben. Das Oberflächenprofil bewirkt im Zusammenspiel mit dem inversen Oberflächenprofil eine Phasenänderung, der das Oberflächenpaar durchlaufenden Wellenfront, die proportional der Ableitung des Oberflächenprofils nach dem Winkel φ ist
Figure imgf000020_0001
Die optische Achse zur Anordnung muss wie in dem in Figur 8 dargestellten Oberflächenprofil mit der Drehachse zusammenfallen.
Figur 9 zeigt ein Oberflächenprofil mit einer Kreisscheibe eines axial rotierbaren optischen Elements zur Erzeugung eines variablen Fokus für einen außeraxialen Strahlengang. Wie in Figur 8 ist in Figur 9 die kreisförmige Scheibe durch eine durchgezogene Linie gekennzeichnet und das durch die Kreisscheibe hindurchtretende Strahlenbündel durch eine gestrichelte Linie. Das Oberflächenprofil bewirkt im Zusammenspiel mit dem inversen Oberflächenprofil eine Phaseänderung, der das Oberflächenpaar durchlaufenden Wellenfront, die proportional der Ableitung des Oberflächenprofils nach dem Winkel φ ist. Mit der Dezentrierung in x um einen Beitrag x = x0 ergibt sich für die Ableitung nach φ also für die durch das Oberflächenprofil zusammen mit einer starr angeordneten Fläche mit inversem Oberflächenprofil der Wellenfront aufgeprägte Phase
Figure imgf000020_0002
= a r - 2 · a■ x0 ■ r■ cos^ + a■ x{ Bei dem Phasenbeitrag a - XQ handelt es sich um einen konstanten
Phasenterm, der keine optische Wirkung besitzt und deshalb vernachlässigt werden kann.
Durch partielle Integration der von den Polarkoordinaten abhängigen Terme über den Drehwinkel ergibt sich eine Oberflächen die proportional: z(r, <p) = a- r2 · φ-2 - a- ■ r- ύηφ ist.
In dem in Figur 9 dargestellten Oberflächenprofil hat der Parameter a den Wert Ι μιτι/ίϊΐηι2, der Parameter x0 hat den Wert 0,5 mm, und r variiert zwischen 0 und 1 mm. Das zugehörige zweite optische Element hat die entsprechende inverse Oberflächenform, so dass sich in der Winkelstellung φ = 0 Grad die Wirkung beider Plattenpaare gegeneinander aufhebt.
Figur 10 zeigt ein Oberflächenprofil eine Flächenpaares für eine axial rotierbare Kreisscheibe zur Erzeugung mehrerer variabler Foki unterschiedlicher Größe für verschiedene außeraxiale Strahlenbündel. Durch bereichsweise Anwendung der Funktion τ, φ) = a- r1■ φ-2 - a- - r - i (p ist es möglich für ein Oberflächenpaar aus inversen Oberflächen, in unterschiedlichen Entfernungen zur Rotationsachse zum Beispiel unterschiedlich starke Defokussierbereiche zu bewirken. Für die einzelnen radialen Bereiche gelten dann die Funktionen (r, φ) = a1 ■ r2■ φ- 2 · a1 ■ x1 ■ r■ sin φ
z, (r, φ) = a1 ■ r2■ φ- 2 · a1 ■ , · r- ύηφ
z,(r, φ) = a3 ■ r2■ φ-2■ a3 ■ x3 ■ r- ύηφ jeweils definiert in Radialbereichen Ärn und dezentriert in xn. Die in Figur 10 dargestellten drei Bereiche mit drei unterschiedlichen Defokussierbereichen weist die folgenden Parameter auf: a^ = 9 μΓη/mm2, χι = 0,5 mm
a2 = 3 μιτι/mm2, x2 = 1 ,5 mm
a3 = 1 μιη/mm2, x3 = 2,5 mm
Die radialen Bereiche Är erstrecken sich jeweils in radialer Richtung über 0,5 mm bei einer radialen Ausdehnung der rotierbaren Kreisscheibe von 3 mm.
Mit einem solchen Element lassen sich entweder mehrere außeraxiale Strahlengänge mit einem einzigen rotierenden Element beeinflussen, oder es können durch Anordnung eines einzigen Strahlengangs zu dem jeweiligen radialen Segment der rotierbaren Kreisscheibe - also durch Verschiebung der rotierbaren Kreisscheibe oder Versatz des Strahlengangs relativ zur rotierbaren Kreisscheibe - auch schaltbar mehrere Funktionalitäten der rotierbaren Kreisscheibe zugänglich gemacht werden.
Figur 1 1 zeigt ein Oberflächenprofil, welches zusammen mit einer starr angeordneten Fläche mit inversem Oberflächenprofil gemäß der Gleichung — = c r
d<p zu einer linearen Phase entlang der Radialrichtung r führt. Diese Phase wird durch ein Oberflächenprofil der Form z{r, (p) = c- r- (p erzeugt, welches eine Spirale mit Unstetigkeit bei φ = 0 darstellt. Auch diese Oberflächenstruktur kann außeraxial genutzt werden. Die Phasenänderung entlang des Radius ist konstant. Insbesondere im Falle einer außeraxialen Nutzung gegenüber im Vergleich zu dem genutzten Aperturbereich ergeben sich näherungsweise plane Phasenfronten, die zu einer kontinuierlichen Winkeländerung bei Verdrehung der rotierbaren Kreisscheiben mit zueinander inverser Oberfläche gegeneinander führen. Auch diese Ausführungsvariante lässt sich durch eine rotierende Kreisscheibe und eine fixe Kreisscheibe mit inversem Oberflächenprofil realisieren. Die durch die Phasenänderung realisierte Auslenkung des Strahlenbündels folgt einer linearen Funktion des Winkels. Der Parameter c des in Figur 1 1 dargestellten Oberflächenprofils hat den Wert 1 μΓη/mnn2, und der Radius variiert zwischen 0 und 1 mm.
Figur 12 zeigt ein Oberflächenprofil für einen Wellenfrontmanipulator zur Erzeugung einer einstellbaren linearen Phase der Wellenfront in x-Richtung. Dies entspricht einer Kippung in x-Richtung und damit dem Zernikepolynom ZV Die in der Wellenfront induzierte lineare Phase entlang der Richtung x ist durch die Gleichung dz
— = c- r - cos(p = c- x
d<p gegeben und wird durch eine Fläche proportional zu z(r, φ) mit z = c■ r■ sintp zusammen mit einer gegenläufig rotierenden Fläche mit inversem Oberflächenprofil induziert. Der Faktor r · sin<p entspricht dabei der kartesischen Koordinate y.
Das Oberflächenprofil kann beliebig außeraxial genutzt werden, da das Oberflächenprofil in der x-Richtung konstant ist. Um die lineare Phase entlang der x-Richtung zu realisieren, müssen zwei rotierbare Kreisscheiben vorhanden sein, die in entgegengesetzter Richtung gedreht werden, damit man nur eine Auslenkung in einer Achse erreicht. Die Auslenkung in x folgt einer Sinusfunktion im Winkel. Mit einem Elementepaar bestehend aus einem rotierbaren optischen Element mit dem Oberflächenprofil aus Figur 12 und einem Element mit dem inversen Oberflächenprofil lässt sich ein lateraler Scan in x-Richtung realisieren. Der Parameter c besitzt im vorliegenden Beispiel den Wert 1 μηι/mm2, und r läuft von 0 bis 1 mm. Die mit Bezug auf die Figuren 8 bis 12 beschriebenen Oberflächenprofile können auch für transmissive Kugelkalottenflächen oder reflektierende Zylinder- oder Kegelmantelflächen realisiert werden. Im Falle von Kugelkalottenflächen ist das Oberflächenprofil in Kugelkoordinaten gegeben, im Falle einer Zylinderfläche oder Kegelfläche in Zylinderkoordinaten.
Die beschriebenen Wellenfrontmanipulatoren kommen in erfindungsgemäßen Mikroskopen zum Einsatz. Nachfolgend wird beispielhaft der Einsatz erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulatoren in einem Laser- Scanning-Mikroskop beschrieben. Das Laser-Scanning-Mikroskop ist schematisch in Figur 13 dargestellt und umfasst ein Objektivlinsensystem 20, eine Lichtquelle 22, einen Detektor 24 und eine Lochblende 26, die in einer zur Fokusebene 28 des Laser-Scanning-Mikroskop konjungierten Ebene angeordnet ist. Im in Figur 13 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zudem ein Ablenkspiegel 30 vorhanden, welcher den Strahlengang um 90° ablenkt, so dass eine kompaktere Bauform als ohne Ablenkung realisierbar ist.
Zwischen der Lichtquelle 22 und der Lochblende 26 sind außerdem zwei Linsen 30, 32 angeordnet, zwischen denen ein paralleler Strahlengang vorliegt. Die Linse 30 kollimiert dabei ein von der Lichtquelle ausgehendes divergentes Strahlenbündel und die Linse 32 fokussiert das parallele Strahlenbündel auf das Loch in der Lochblende 26. Zwischen den beiden Linsen 30 und 32 ist ein teildurchlässiger Ablenkspiegel vorhanden, welcher das Licht der Lichtquelle 22 in Richtung auf die Lochblende 26 passieren lässt, von der Lochblende 26 kommendes Objektlicht dagegen in Richtung auf den Detektor 24 ablenkt. Mittels einer dem Detektor 24 vorgeschalteten Linse 36 wird das Objektlicht auf den Detektor 24 fokussiert. Zwischen dem Ablenkspiegel 30 und der Lochblende 26 ist eine weitere Linse 38 vorhanden, welche das von der Lochblende 26 ausgehende divergente Beleuchtungsstrahlenbündel in ein paralleles Strahlenbündel umwandelt. Gleichzeitig fokussiert diese Linse 38 ein aus der Fokusebene stammendes parallelisiertes Strahlenbündel auf das Loch der Lochblende 26. Das parallele Beleuchtungsstrahlenbündel wird schließlich von dem Objektivlinsensystem in die Fokusebene 28 fokussiert. Die Objektebene ist dabei durch die Fokusebene des Mikroskops gegeben.
Im Betrieb des Laserscanningmikroskops wird das von der Lichtquelle 22 ausgehende Licht auf die Öffnung der Lochblende 26 fokussiert. Da sich die Lochblende 26 in einer zur Fokusebene des Laser-Scanning-Mikroskops konjugierten Ebene befindet, ist das von der Lochblende 26 ausgehende Strahlenbündel auch in der Fokusebene 28 fokussiert. Dort wird das Beleuchtungslicht von dem in der Fokusebene 28 befindlichen Objektmaterial reflektiert und gelangt als Objektlicht wieder in die Ebene der Lochblende 26. Aufgrund dessen, dass die Lochblende 26 in einer zur Fokusebene 28 konjugierten Ebene liegt, ist das aus der Fokusebene 28 stammende Objektlicht im Bereich der Lochblende 26 ebenfalls fokussiert, wodurch es die Lochblende vollständig passieren kann. Objektlicht, dass aus einer anderen als der Fokusebene 28 reflektiert wird, ist im Bereich der Lochblende dagegen defokussiert, so dass es Größenteils von der Lochblende 26 ausgeblendet wird. Auf diese Weise gelangt nur Licht aus demjenigen Tiefenbereich des Objekts, indem sich die Fokusebene des Laser-Scanning-Mikroskops befindet, zum Detektor 24, so dass ein Bild mit einer sehr hohen Tiefenauflösung realisiert werden kann. Mit einem Laser-Scanning-Mikroskop wird durch Variieren des Fokusabstandes ein Scan der Probe in z-Richtung, also in Tiefenrichtung, vorgenommen. Nacheinander wird die Fokusebene um einen bestimmten Betrag verschoben, und für jeden Fokusabstand wird ein Bild aufgenommen. Da der Fokuspunkt lateral sehr klein ist, erfolgt zum Aufnehmen des Bildes für einen eingestellten Fokusabstand ein laterales Abtasten des Objekts innerhalb der Fokusebene, so dass für jede Fokusebene ein zweidimensionales Bild generiert wird. Durch laterales Scannen und Tiefenscannen kann so ein dreidimensionales Bild der Probe gewonnen werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt sowohl der Tiefenscan, also das Verändern des Fokusabstandes, als auch der laterale Scan jeweils mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators. Die hierzu verwendeten Wellenfrontmanipulatoren befinden sich im parallelen Strahlengang zwischen der Linse 38 und dem Objektivlinsensystem 20. Der laterale Scan kann jedoch auch mit anderen Mitteln erfolgen, bspw. mit Hilfe von Galvanometerspiegeln.
Mittels des Wellenfrontmanipulators 40 erfolgt ein rasches Variieren des Fokusabstandes und mittels des Wellenfrontmanipulators 42 erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein lateraler Scan in x-Richtung. Die Wellenfrontmanipulatoren sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel transmissiv ausgestaltet und können gemäß einer der mit Bezug auf die Figuren 1 bis 6 beschriebenen Varianten realisiert sein. Grundsätzlich ist auch eine Variante mit reflektiven Wellenfrontmanipulatoren, wie sie mit Bezug auf Figur 7 beschrieben worden sind, möglich. Zudem besteht auch die Möglichkeit, sowohl transmissive als auch reflektive Wellenfrontmanipulatoren gleichzeitig zu verwenden.
Der Wellenfrontmanipulator 40 zum Variieren des Fokusabstandes weist beispielsweise eine rotierende Kreisscheibe und eine feststehende Scheibe auf, wobei die rotierende Kreisscheibe ein Oberflächenprofil, wie es mit Bezug auf Figur 1 beschrieben worden ist, besitzt und die feststehende Scheibe das dazu inverse Oberflächenprofil aufweist. Er kann aber auch zwei gegenläufig zueinander rotierende Kreisscheiben aufweisen, um eine höhere Scangeschwindigkeit realisieren zu können.
Der Wellenfrontmanipulator 42 weist beispielsweise zwei gegenläufig zueinander rotierende Kreisscheiben auf, von denen eine ein Oberflächenprofil wie es mit Bezug auf Figur 12 beschrieben worden ist, aufweist und die andere das dazu inverse Oberflächenprofil. Mit dem Wellenfrontmanipulator 42 erfolgt daher eine Ablenkung in x-Richtung. Ein Wellenfrontmanipulator für die Ablenkung in y-Richtung ist der übersichtlichkeitshalber nicht dargestellt, kann aber ebenfalls vorhanden ein.
Die Funktionalität der Wellenfrontmanipulatoren ist nicht auf die Fokussierung bzw. die Strahlenablenkung begrenzt, sondern kann bspw. über die Segmentierung in unterschiedlichen radialen Bereichen (wie sie bspw. in Figur 10 gezeigt ist) auch weitere Phasenänderungen mit beinhalten. Beispielsweise kann es nützlich sein, die Strahlauslenkung oder die Fokussierung mit anderen Systemaberrationen wie sphärische Aberrationen oder Koma zu verknüpfen um eine bessere Systemperformance zu erhalten.
Im Laser-Scanning-Mikroskop weisen Wellenfrontmanipulatoren mit Kreisscheibenförmigen rotierbaren Elementen den Vorteil auf, dass Wellenfrontmanipulatoren mit unterschiedlichen Funktionalitäten räumlich nahe beieinander angeordnet werden können, was es insbesondere auch ermöglicht, die Wellenfrontmanipulationen pupillennah vorzunehmen.
Die vorliegende Erfindung wurde zu ihrer Veranschaulichung anhand von exemplarischen Ausführungsvarianten im Detail beschrieben. Einem Fachmann ist jedoch klar, dass von den beschriebenen Ausführungsvarianten abgewichen werden kann. So kann außer den beschriebenen Wellenfrontmanipulationen eine Vielzahl weiterer Wellenfrontmanipulationen realisiert werden, beispielsweise solche, wie sie durch Zernikepolynome oder Kombinationen von Zernikepolynomen beschrieben werden können. Die Oberflächenprofile können dabei bei einem transmissiven System auf der eingangsseitigen Fläche einer rotierenden Scheibe oder auf der ausgangsseitigen Fläche der rotierenden Scheibe angeordnet sein. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, das Oberflächenprofil so auszulegen, dass sowohl auf der eingangsseitigen Fläche als auch auf der ausgangsseitigen Fläche des optischen Elementes ein Profil vorhanden ist und die auf der eingangsseitigen Fläche und der ausgangsseitigen Fläche vorhandenen Profile zusammen das zur Wellenfrontmanipulation wirksame Oberflächenprofil bilden. Auf diese Weise können die Profilhöhen insgesamt kleiner gehalten werden, wodurch die rotierbaren optischen Elemente näher beieinander angeordnet sein können, was insbesondere dann vorteilhaft sein kann, wenn mehrere Wellenfrontmanipulatoren pupillennah angeordnet werden sollen. Mit Bezug auf die reflektiven Wellenfrontmanipulatoren sei noch erwähnt, das außer dem beschriebenen Beispiel mit zylinderförmigen rotierenden Elementen auch Varianten mit kegelförmigen rotierenden Elementen denkbar sind. Die vorliegende Erfindung soll daher nicht auf die Verwendung der speziellen Formen der beschriebenen Wellenfrontmanipulatoren beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

Patentansprüche
Mikroskop mit einem optischen Strahlengang und einem im optischen Strahlengang angeordneten Wellenfrontmanipulator mit wenigstens einem ersten optischen Element (1, 101, 201, 301, 401) und einem zweiten optischen Element (3, 103, 203, 303, 403), welches derart relativ zum ersten optischen Element (1, 101, 201, 301, 401) angeordnet oder anzuordnen ist, dass sich beide optischen Elemente (1, 3, 101, 103, 201, 203, 301, 303, 401, 403) im Strahlengang befinden, wenn der Wellenfrontmanipulator im optischen Strahlengang angeordnet ist, wobei das erste optische Element (1, 101, 201, 301, 401) eine erste Freiformfläche (2, 102, 402) aufweist und das zweite optische Element (3, 103, 203, 303, 403) eine zweite Freiformfläche (4, 104, 204, 404) aufweist und wobei das erste optische Element (1, 101, 201, 301, 401) und das zweite optische Element (3, 103, 203, 303, 403) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
das erste optische Element (1, 101, 201, 301, 401) eine Radialrichtung, eine zur Radialrichtung senkrecht verlaufende Umfangsrichtung und eine senkrecht zur Radialrichtung sowie zur Umfangsrichtung verlaufende Rotationsachse (RA) aufweist und das erste optische Element um die Rotationsachse (RA) drehbar gelagert ist,
ein auf das erste optische Element (1 , 101, 201 , 301 , 401 ) zum Drehen des ersten optischen Elements (1, 101, 201, 301, 401) einwirkender Antrieb (7, 107, 207) vorhanden ist, und
die erste Freiformfläche (2, 102, 402) zumindest in Umfangsrichtung des ersten optischen Elements (1, 101, 201, 301, 401) variiert.
Mikroskop nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Freiformfläche 2 und die zweite Freiformfläche 4 sind so gewählt sind, dass ein durch die optischen Elemente 1, 3 hindurchtretendes Strahlenbündel 5 einen variablen Defokus erfährt und das Mikroskop eine Steuereinheit umfasst, die durch Variieren des Defokus die Fokusebene nacheinander in unterschiedliche Entfernungen verschiebt und veranlasst, dass das Mikroskop nacheinander Licht aus diesen unterschiedlichen Entfernungen detektiert
3. Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element (3, 103, 203, 303, 403) ein nicht rotierendes optisches Element ist.
Mikroskop nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite optische Element (103, 203, 303, 403) eine Radialrichtung, eine zur Radialrichtung senkrecht verlaufende Umfangsrichtung und eine senkrecht zur Radialrichtung sowie zur Umfangsrichtung verlaufende Rotationsachse (RA) aufweist und das zweite optische Element (103, 203, 303, 403) um die Rotationsachse (RA) drehbar gelagert ist, wobei die zweite Freiformfläche (104, 204, 404) zumindest in Umfangsrichtung des zweiten optischen Elements (103, 203, 303, 403) variiert, und
ein auf das zweite optische Element (103, 203, 303, 403) zum Drehen des zweiten optischen Elements (103, 203, 303, 403) einwirkender Antrieb (109, 209) vorhanden ist, welcher das zweite optische Element (103, 203, 303, 403) gegenläufig zum ersten optischen Element (101 , 201 , 301 , 401 ) dreht.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Elemente (1 , 3, 101 , 103, 201 , 203, 301 , 303) transmissiv ausgebildet ist, eine erste Grundfläche und eine zur ersten Grundfläche parallel verlaufende zweite Grundfläche aufweist und die in Umfangsrichtung variierende Freiformfläche (4, 102, 104, 202, 204, 402, 404) durch eine auf der ersten Grundfläche gebildete Freiformfläche und/oder eine auf der zweiten Grundfläche gebildete Freiformfläche realisiert ist. Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der optischen Elemente transmissiv (1 , 3, 101 , 103, 201 , 203, 301 , 303) ausgebildet ist.
Mikroskop nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der transmissiv ausgebildeten optischen Elemente (201 , 203) wenigstens zwei einander nicht überlappende radiale Abschnitte (A, B) aufweist und in den einander nicht überlappenden radialen Abschnitten auf der ersten Grundfläche und/oder auf der zweiten Grundfläche unterschiedliche Freiformflächen (204A, 204B) ausgebildet sind.
8. Mikroskop nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grundfläche und die zweite
Grundfläche Kreisflächen oder Kugelkalottenflächen sind.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Elemente (401 , 403) eine reflektierende zylindermantelförmige oder kegelmantelförmige Randfläche aufweist und die in Umfangsrichtung variierende Freiformfläche (402, 404) durch eine auf der reflektierenden zylindermantelförmigen oder kegelmantelförmigen Randfläche gebildete Freiformfläche realisiert ist.
Mikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der optischen Elemente (401 , 403) eine reflektierende Fläche aufweist.
Mikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der optischen Elemente (401 , 403) eine reflektierende zylindermantelförmige oder kegelmantelförmige Randfläche aufweist und die in Umfangsrichtung variierende Freiformfläche (402, 404) durch eine auf der reflektierenden zylindermantelförmigen oder kegelmantelförmigen Randfläche gebildete Freiformfläche realisiert ist.
12. Mikroskop nach einem der Ansprüche 9 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jede der zylindermantelförmigen oder kegelmantelförmigen Randflächen senkrecht zur Umfangsrichtung wenigstens zwei einander nicht überlappende Abschnitte aufweist und in den einander nicht überlappenden Abschnitten der Randfläche unterschiedliche Freiformflächen ausgebildet sind.
13. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche oder die Freiformflächen (2,
4, 1 02, 1 04, 202, 204, 402, 404) derart ausgebildet sind, dass bei einer Drehung des drehbaren optischen Elements oder der drehbaren optischen Elemente (1 , 3, 1 01 , 1 03, 201 , 203, 301 , 303, 401 , 403) ein durch wenigstens ein ausgesuchtes Zernikepolynom Z beschriebener Wellenfrontanteil in einem vorgegebenen Bereich variiert wird.
14. Mikroskop nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiformfläche oder die Freiformflächen (2, 4, 1 02, 104, 202, 204, 402, 404) derart ausgebildet sind, dass das wenigstens eine ausgesuchte Zernikepolynom das Polynom Z°2, Z oder Z' ist.
15. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens die erste Freiformfläche derart ausgestaltet ist, dass sie mindestens zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete identische Abschnitte aufweist.
1 6. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende optische Element oder die rotierenden optischen Elemente (1 , 3, 1 01 , 1 03, 201 , 203, 301 , 303) dezentral zum Strahlengang angeordnet ist bzw. sind
17. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (40, 42) im parallelen Strahlengang angeordnet ist.
18. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Laser-Scanning- Mikroskop. 19. Mikroskop nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Teil des Mikroskopobjektivs ist.
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