DE102022103459A1

DE102022103459A1 - Strahlteilerbaugruppe, verfahren zu deren dimensionierung und mikroskop

Info

Publication number: DE102022103459A1
Application number: DE102022103459.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nobis; Wolfgang Bathe
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2023-08-17
Also published as: US20230258920A1; CN116609932A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlteilerbaugruppe zur Anordnung in einem nichtkollimierten Teil eines Strahlengangs eines Mikroskops mit einer ersten Platte, die gegen eine optische Achse um einen Verkippungswinkel verkippt ist, und mit einer zweiten Platte, die gegen die optische Achse um einen Verkippungswinkel verkippt ist, wobei die erste Platte und/oder die zweite Platte zum Einkoppeln und/oder zum Auskoppeln von Strahlung dienen. Die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Keilwinkel der ersten Platte, ein Keilwinkel der zweiten Platte und der Verkippungswinkel der zweiten Platte dergestalt aufeinander abgestimmt sind, dass ein Astigmatismus auf der optischen Achse und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Dimensionieren einer Strahlteilerbaugruppe und ein Mikroskop.

Description

Die Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt eine Strahlteilerbaugruppe zur Anordnung in einem nichtkollimierten Teil eines Strahlengangs eines Mikroskops nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dimensionieren der Strahlteilerbaugruppe sowie ein Mikroskop.
Eine gattungsgemäße Strahlteilerbaugruppe zur Anordnung in einem nichtkollimierten Teil eines Strahlengangs eines Mikroskops weist eine erste Platte auf, die gegen eine optische Achse um einen Verkippungswinkel verkippt ist. Außerdem ist eine zweite Platte vorhanden, die gegen die optische Achse um einen Verkippungswinkel verkippt ist. Dabei dienen die erste Platte und/oder die zweite Platte zum Einkoppeln und/oder zum Auskoppeln von Strahlung oder sind für diese Zwecke eingerichtet.
Aus DE 10 2009 044 987 A1 und DE 10 2004 058 833 A1 sind gattungsgemäße Strahlteilerbaugruppen bekannt
In der Auflicht-Mikroskopie, besonders in der Auflicht-Fluoreszenzmikroskopie, ist die Trennung des Beleuchtungslichts oder Anregungslichts vom Licht der nachzuweisenden Strahlung wichtig. Diese Trennung geschieht in der Regel durch planparallele Teilerplatten mit einer geeigneten Beschichtung, die unter (meist) 45° zur optischen Achse als Umlenkspiegel wirken. Solche Platten werden geeigneterweise an einer Position in den Abbildungsstrahlengang eingebracht, bei der das Detektionslicht kollimiert ist, also das vom Mikroskop aufgenommene Bild im Unendlichen liegt. An einer solchen Stelle verursachen die planparallelen Teilerplatten für die Bildgüte keine oder jedenfalls für das Gesamtsystem vernachlässigbare Abbildungsfehler.
Der zugängliche Bereich des Strahlengangs, in dem das Detektionslicht kollimiert ist, wird auch als Unendlichraum bezeichnet. Der Unendlichraum ist jedoch begrenzt und für typische verfügbare Mikroskopstative bereits mit einer Reihe von Teilerplatten belegt. Außerdem kann die gesamte geometrische Anordnung der angeschlossenen Subsysteme an das Mikroskopstativ eine weitere Schnittstelle im Unendlichraum verhindern. Daher ist auch eine Strahlteilung und/oder Strahlvereinigung außerhalb des Unendlichraums, also im konvergenten Strahlengang, wünschenswert. An einer solchen Stelle verursacht eine planparallele Platte jedoch deutliche, für das Gesamtsystem keinesfalls tolerierbare Abbildungsfehler, namentlich Astigmatismus, Farbquerfehler und Koma, jeweils bereits auf der optischen Achse. Eine Anordnung nach Stand der Technik, bei der alle diese Fehler kompensiert werden, besteht aus insgesamt vier planparallelen Platten, die zur optischen Achse um 45° geneigt angeordnet sind, und zusätzlich um die optische Achse jeweils um 90° zueinander azimutal verdeht sind. Abgesehen von den insgesamt vier hierfür benötigten Bauteilen ist eine solche Anordnung lang, und die Schnittweiten der betreffenden Optik in der Regel zu kurz, um den gesamten Aufbau unter den sonstigen geometrischen Anforderungen eines Mikroskopstativs unterzubringen.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine Strahlteilerbaugruppe der oben angegebenen Art zu schaffen, die im Hinblick auf die Verwendung in einem Mikroskop, insbesondere einem Weitfeldmikroskop, verbesserte Eigenschaften aufweist. Außerdem soll ein Verfahren zum Dimensionieren einer solchen Strahlteilerbaugruppe und ein Mikroskop angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch die Strahlteilerbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und durch das Mikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.
Die Strahlteilerbaugruppe der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass ein Keilwinkel der ersten Platte, ein Keilwinkel der zweiten Platte und der Verkippungswinkel der zweiten Platte dergestalt aufeinander abgestimmt sind, dass ein Astigmatismus auf der optischen Achse und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind.
Das erfindungsgemäße Mikroskop weist einen Beleuchtungsstrahlengang und einem Detektionsstrahlengang auf und im Beleuchtungsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang ist mindestens eine erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe vorhanden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dimensionieren einer erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe wird für einen gegebenen Abstand der ersten Platte von der zweiten Platte auf der optischen Achse und einen gegebenen Verkippungswinkel der ersten Platte relativ zur optischen Achse, der Keilwinkel der ersten Platte, der Keilwinkel der zweiten Platte und ein Verkippungswinkel der zweiten Platte variiert, bis der Astigmatismus auf der optischen Achse und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe und des erfindungsgemäßen Mikroskops und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden, insbesondere mit Bezug auf die abhängigen Ansprüche und die Figuren, erläutert.
Mit dem Begriff einer Platte wird eine mindestens teilweise transparente Platte bezeichnet. Die Platte kann insbesondere eine Keilform in dem Sinn aufweisen, dass ihre Dicke in einer Richtung linear abnimmt. Die Keilwinkel sind in der Regel klein, insbesondere nicht größer als wenige Grad. Die Platten müssen nicht Keile in dem Sinn sein, dass sie eine scharfe Kante aufweisen. Sie sind dann im strengen Sinn nur Teilkeile. Es handelt sich also bei den Platten im wesentlichen um flache Quader, bei denen die sich gegenüberliegenden Oberflächen geringfügig von der Parallelität abweichen, nämlich um den Keilwinkel gegeneinander verkippt sind. Die Platten können deshalb auch als Keilplatten oder auch einfach als Keile bezeichnet werden. Der Querschnitt eines Keils ist in der Regel unabhängig vom Ort der Höhenkoordinate, beispielsweise der y-Koordinate, wo der Querschnitt genommen wird. Der Verkippungswinkel einer Platte gegen die optische Achse soll für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung derjenige Winkel sein, um welche diejenige Seitenfläche der Platte gegen eine Normale zur optische Achse verkippt ist, welche für einzukoppelnde oder auszukoppelnde Strahlung die Eintrittsfläche ist. Andere Definitionen sind möglich, beispielsweise kann der Verkippungswinkel auch gegen die Winkelhalbierende der Querschnittsfläche gemessen werden.
Der Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops umfasst alle optischen Komponenten, insbesondere Linsen, Objektive, Spiegel, Prismen, Blenden, Strahlteiler, Filter, die zum Leiten des Beleuchtungslichts oder Anregungslichts auf oder in eine Probe dienen.
Der Detektionsstrahlengang des Mikroskops umfasst mindestens ein Mikroskopobjektiv und darüber hinaus alle weiteren optischen Komponenten, insbesondere Linsen, Objektive, Spiegel, Prismen, Blenden, Strahlteiler, Filter, die zum Leiten des von der Probe infolge der Bestrahlung mit dem Beleuchtungslicht oder Anregungslicht abgestrahlten Detektionslichts auf eine Kamera oder einen anderen Detektor oder ein Okular dienen. Das Detektionslicht kann insbesondere Fluoreszenzlicht sein, welches im Vergleich zum Anregungslicht eine größere Wellenlänge aufweist.
Die Erfindung hat erkannt, dass es zur Erzielung akzeptabler und für die meisten Anwendungen ausreichender Korrekturergebnisse ausreicht, nur zwei Platten zu verwenden. Insbesondere im Vergleich zu Baugruppen mit vier Platten können also durch die Erfindung Vorteile im Hinblick auf Baugröße und Kosten erreicht werden.
Die Erfindung hat weiter erkannt, dass es auch mit zwei Platten möglich ist, eine Korrektur der linearen Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld zu erreichen.
Die Variationen der geometrischen Parameter der ersten Platte und der zweiten Platte können bevorzugt mit einer geeigneten Software am Rechner durchgeführt werden. Die Optimierung kann beispielsweise unter Verwendung des Levenberg-Marquardt-Algorithmus (LMA oder LM), bekannt auch unter dem Begriff DLS-Verfahren (damped least-squares method), durchgeführt werden. Diese Verfahren sind bei kommerziell erhältlichen Optikprogrammen verfügbar.
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Keilwinkel der ersten Platte, der Keilwinkel der zweiten Platte und ein Verkippungswinkel der zweiten Platte variiert bis auch der Farbquerfehler auf der optischen Achse korrigiert ist.
Entsprechend können bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe der Keilwinkel der ersten Platte, der Keilwinkel der zweiten Platte und der Verkippungswinkel der zweiten Platte dergestalt aufeinander abgestimmt sein, dass auch ein Farbquerfehler auf der optischen Achse korrigiert ist.
Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Position der zweiten Platte auf der optischen Achse variiert, um Koma und/oder den Farbquerfehler über das Objektfeld zu minimieren.
Entsprechend kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe die Position der zweiten Platte auf der optischen Achse so gewählt sein, dass Koma und/oder der Farbquerfehler über das Objektfeld minimiert ist.
Die zweite Platte ist zweckmäßig relativ zur optischen Achse in entgegengesetzter Richtung wie die erste Platte verkippt.
Bevorzugt dient bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop die erste Platte der Strahlteilerbaugruppe zum Einkoppeln von Strahlung in den Strahlengang des Mikroskops und/oder zum Auskoppeln von Strahlung aus dem Strahlengang des Mikroskops. Es ist aber auch möglich, dass, alternativ oder ergänzend, die zweite Platte für diese Zwecke eingesetzt wird.
In der Regel wird bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop die erste Platte der Strahlteilerbaugruppe im Detektionsstrahlengang strahlaufwärts von der zweiten Platte angeordnet sein. Das ist aber nicht zwingend. Auch die umgekehrte Anordnung ist möglich, also eine Anordnung, bei der das Detektionslicht zuerst die zweite Platte und danach die erste Platte durchläuft.
Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe bei einem Mikroskop in nichtkollimierten, beispielsweise in konvergenten, Teilen des Beleuchtungsstrahlengangs und/oder des Detektionsstrahlengangs zum Einsatz kommen. Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Mikroskops ist eine erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe zwischen einer Tubuslinse und der zugehörigen Zwischenbildebene angeordnet.
Grundsätzlich können die Abstände der ersten Platte und/oder der zweiten Platte von einer Zwischenbildebene jeweils weitgehend frei gewählt werden. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Mikroskops weisen die erste Platte und/oder die zweite Platte der Strahlteilerbaugruppe von einer Zwischenbildebene einen Abstand zwischen 30 mm und 200 mm auf.
Die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe eignet sich insbesondere für bestimmte Wertebereiche der Winkelkonvergenz des Strahlengangs zwischen der Tubuslinse und dem Zwischenbild. Bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Mikroskops gilt für die numerische Apertur NA im Zwischenbild: NA ≤ 0,1 und insbesondere 0,002 ≤ NA ≤ 0,05.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Mikroskops Mikroskop kann ein Bilddurchmesser des Zwischenbilds strahlabwärts von einer Tubuslinse wenige Millimeter, beispielsweise 2 Millimeter, bis 40 Millimeter betragen.
Grundsätzlich ist an das Material der Platten nur insoweit ein Anforderung gestellt, dass dieses für die zum Einsatz kommende Strahlung hinreichend transparent ist und dass die für die zu bewerkstelligen Korrekturen notwendigen Laufzeitunterschiede bereitgestellt werden können. Dazu ist zwar grundsätzlich nicht zwingend notwendig, dass die Platten aus einem homogenen Material bestehen. Das Auffinden der geeigneten Platten- oder Keilgeometrien und -anordnungen ist aber einfacher, wenn letzteres der Fall ist. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe zeichnen sich also dadurch aus, dass die erste Platte und/oder die zweite Platte im Volumen aus einem homogenen Material mit einem einzigen Brechungsindex besteht beziehungsweise jeweils aus einem homogenen Material mit einem einzigen Brechungsindex bestehen.
Weil die für die Erfindung zu erzielenden Korrekturen über Laufzeitunterschiede für die jeweiligen Strahlwege durch die verwendeten Platten erreicht werden, spielt der konkrete physikalische Mechanismus einer Strahlteilung als solcher für die Wirkung der Erfindung keine wesentliche Rolle. Dementsprechend kann die Einkopplung oder Auskopplung von Strahlung durch unterschiedliche, grundsätzlich bekannte physikalische Mechanismen erfolgen.
Beispielsweise können die Platte bei der Strahlteilerbaugruppe Neutralstrahlteiler, beispielsweise 50:50-Neutralstrahlteiler, chromatische Strahlteiler und/oder Polarisationstrahlteiler sein. Grundsätzlich sind auch Mischformen oder Kombinationen von Strahlteilern, die auf unterschiedlichen Wirkmechanismen beruhen, in ein und derselben Strahlteilerbaugruppe möglich.
Weil die oben beschriebene Kompensation des Astigmatismus brechzahlabhängig ist, gilt sie streng nur für eine gewählte Referenzwellenlänge, zum Beispiel eine Wellenlänge im Grünen (546 nm). Daher verbleibt für andere Farben dann in der Regel ein kleiner Restbeitrag zum Astigmatismus, der aber für die Mikroskopie toleriert werden kann. Verbesserungen bei der Korrektur auch für unterschiedliche Wellenlängen können bei der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe erreicht werden, wenn die erste Platte und/oder die zweite Platte ein chromatisch korrigierter Doppelkeil ist beziehungsweise jeweils chromatisch korrigierte Doppelkeile sind. Auch Mehrfachkeile bestehend aus mehr als zwei Keilen sind möglich. Solche Komponenten sind vergleichsweise teuer.
Im Hinblick auf den Verkippungswinkel der ersten Platte relativ zur optischen Achse besteht grundsätzlich Gestaltungsfreiheit. Strahlung muss also nicht unbedingt senkrecht zur optischen Achse eingekoppelt oder ausgekoppelt werden. Bei vorteilhaften Varianten der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe ist die erste Platte relativ zur optischen Achse um einen Winkel im Bereich zwischen 30° und 70°, bevorzugt im Bereich zwischen 40° und 50° und insbesondere um 45°, verkippt.
Ein Keilwinkel der ersten Platte kann im Bereich zwischen 0 Bogenminuten und 30 Bogenminuten und bevorzugt zwischen 3 Bogenminuten und 10 Bogenminuten betragen.
Die zweite Platte kann relativ zur optischen Achse um einen Winkel im Bereich zwischen 20° und 60° und bevorzugt in einem Bereich zwischen 30° und 40° verkippt sein. Ein Keilwinkel der zweiten Platte kann im Bereich zwischen 0 Bogenminuten und 60 Bogenminuten und bevorzugt zwischen 8 Bogenminuten und 25 Bogenminuten betragen.
Eine Platte mit einem Keilwinkel von 0 ist eine planparallele Platte.
Die erste Platte und/oder die zweite Platte können eine Plattendicke zwischen 0,5 mm und 20 mm aufweisen.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Darin zeigt:

1: eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe und
2: eine weitere schematische Ansicht der Strahlteilerbaugruppe aus 1 zur Erläuterung der für die Dimensionierung relevanten geometrischen Parameter.

Das in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe 100 weist eine erste Platte 20 und eine zweite Platte 30 auf. Die relevanten geometrischen Größen sind in 2 veranschaulicht.
Die erste Platte ist gegen eine optische Achse 18 um einen Verkippungswinkel α verkippt. Die zweite Platte 30 ist gegen die optische Achse 18 um einen Verkippungswinkel γ verkippt. Die zweite Platte 30 ist relativ zur optischen Achse 18 in entgegengesetzter Richtung wie die erste Platte 20 verkippt.
Wie aus 2 ersichtlich, werden der Verkippungswinkel α der ersten Platte 20 und der Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30 jeweils gemessen von derjenigen Seitenfläche der jeweiligen Platte gegen eine Normale zur optischen Achse 18. Andere Definitionen sind möglich, beispielsweise können die Verkippungswinkel auch gegen die Winkelhalbierenden der jeweiligen Querschnittsflächen der Platten gemessen werden.
Die erste Platte 20 kann relativ zur optischen Achse 18 um einen Winkel um 45° verkippt sein. Das ist aber nicht zwingend. Beispielsweise kann die erste Platte 20 relativ zur optischen Achse 18 um einen Winkel α im Bereich zwischen 30° und 70° und bevorzugt um einen Winkel α im Bereich zwischen 40° und 50° verkippt sein. Die zweite Platte 30 kann relativ zur optischen Achse 18 um einen Winkel γ im Bereich zwischen 20° und 60° und bevorzugt in einem Bereich zwischen 30° und 40° verkippt sein.
Die erste Platte 20 und/oder die zweite Platte 30 kann oder können eine Plattendicke zwischen 0,5 mm und 20 mm aufweisen.
Die erste Platte 20 weist einen Keilwinkel β und die zweiten Platte 30 weist einen Keilwinkel δ auf. Der Keilwinkel β der ersten Platte 20 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0 Bogenminuten und 30 Bogenminuten und bevorzugt zwischen 3 Bogenminuten und 10 Bogenminuten betragen. Der Keilwinkel δ der zweiten Platte 30 kann beispielsweise im Bereich zwischen 0 Bogenminuten und 60 Bogenminuten und bevorzugt zwischen 8 Bogenminuten und 25 Bogenminuten betragen.
Die erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe 100 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Strahlengang 10 eines nicht im Einzelnen dargestellten Mikroskops angeordnet. Der Detektionsstrahlengang des Mikroskops verläuft in den 1 und 2 von links nach rechts, d. h. in 2 in z-Richtung. Der Beleuchtungsstrahlengang verläuft, beispielsweise wenn Anregungslicht über die erste Platte 20 eingekoppelt wird, von der ersten Platte 20 nach links. Mit dem Bezugszeichen 14 ist ein kollimierter Teil des Strahlengangs 10, der sogenannte Unendlichraum, bezeichnet. Im Strahlengang in 1 weiter nach links befindet sich ein nicht dargestelltes Mikroskopobjektiv und eine zu untersuchende Probe. Die Strahlteilerbaugruppe 100 ist in einem konvergenten Teil 16 des Strahlengangs 10 zwischen einer Tubuslinse 50 und einer Zwischenbildebene 40 angeordnet.
In 1 ist der Strahlengang schematisch mit drei separaten Strahlenbündeln 11, 12, 13 des Detektionsstrahlengangs dargestellt, die jeweils von unterschiedlichen Punkten in einer nicht dargestellten Probenebene ausgehen. Die erste Platte 20 und/oder die zweite Platte 30 der Strahlteilerbaugruppe 100 können von der Zwischenbildebene 40 beispielsweise einen Abstand zwischen 30 mm und 200 mm aufweisen. Die numerische Apertur NA kann im Zwischenbild beispielsweise kleiner oder gleich 0,1 und insbesondere kann 0,002 ≤ NA ≤ 0,05 sein. Ein Bilddurchmesser des Zwischenbilds in der Zwischenbildebene 40 kann beispielsweise im Bereich von wenigen Millimetern, beispielsweise 2 Millimetern, bis 40 Millimeter betragen.
Die erste Platte 20 und, alternativ oder ergänzend, die zweite Platte 30 der Strahlteilerbaugruppe 100 können zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von Strahlung dienen.
Beispielsweise kann Anregungslicht, etwa zum Anregen von Fluoreszenz, in den Strahlengang eingekoppelt werden und es kann Detektionslicht, typischerweise rotverschobenes Fluoreszenzlicht von Farbstoffen, mit welchen eine Probe präpariert wurde, aus dem Strahlengang ausgekoppelt werden. Die in 1 gezeigten und auf der optischen Achse 18 liegenden Pfeile an der ersten Platte 20 und an der zweiten Platte 30 zeigen jeweils die Richtung von in den Strahlengang 10 eingekoppelter Strahlung an. Die in 1 gezeigten und quer zur optischen Achse liegenden Pfeile an der ersten Platte 20 und an der zweiten Platte 30 zeigen jeweils die Richtung von aus dem Strahlengang 10 ausgekoppelter Strahlung an.
Zu diesem Zweck können die erste Platte 20 und/oder die zweite Platte 30 als Neutralstrahlteiler, beispielsweise 50:50-Neutralstrahlteiler, als chromatische Strahlteiler und/oder als Polarisationsstrahlteiler gebildet sein.
In dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Platte 20 der Strahlteilerbaugruppe 100 im Detektionsstrahlengang strahlaufwärts von der zweiten Platte 30 angeordnet, d. h. das Detektionslicht durchläuft zunächst die erste Platte 20 und anschließend die zweite Platte 30. Das ist aber nicht zwingend, auch die umgekehrte Anordnung ist möglich.
Das wesentliche, der Erfindung zugrundeliegende Problem, Strahlung in den konvergenten Teil des Strahlengangs eines Mikroskops einzukoppeln oder Strahlung aus dem konvergenten Teil dieses Strahlengangs auszukoppeln, wird erfindungsgemäß durch die erste Platte 20 und die zweite Platte 30 gelöst, die zu diesem Zweck gezielt dimensioniert werden und in spezifischer Weise relativ zueinander und relativ zur optischen Achse 18 angeordnet werden.
Die erste Platte 20 ist in der Regel, aber nicht zwingend, um 45° relativ zur optischen Achse 18 des Strahlengangs orientiert, um die Strahlvereinigung im Sinne eines Umlenkspiegel zu erfüllen. Eine axiale Position der ersten Platte 20 im Strahlengang 10 ist in der Regel durch äußere Bedingungen der Anwendung oder der Konstruktion vorgegeben.
Für die Optimierung verbleiben damit die Freiheitsgrade:

(i) Keilwinkel β der ersten Platte 20
(ii) Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30
(iii) Keilwinkel δ der zweiten Platte 30
(iv) Abstand der zweiten Platte 30 von der Zwischenbildebene 40
(v) gegebenenfalls: Dicken der beiden Platten

Generell wird eine Optimierung dieser obigen Freiheitsgrade angestrebt dergestalt, dass die durch die erste Platte 20 erzeugten Fehler gemeinsam mit der zweiten Platte 30 über dem verwendeten Bildfeld minimiert werden und Restfehler auf ein tolerierbares Maß reduziert werden.
Das Prinzip der erfindungsgemäßen Kompensation besteht auf folgendem Ansatz:

Ein Astigmatismus, den eine unter einem beliebigen Winkel stehende planparallele Platte auf der optischen Achse 18 erzeugt, lässt sich durch einen definierten Keilwinkel dieser Platte, also der ersten Platte 20, auf der optischen Achse 18 exakt kompensieren.

Als dominanter Restfehler verbleibt ein Farbquerfehler auf der optischen Achse 18, der sowohl durch die endliche Dicke der schrägstehenden ersten Platte 20 (wellenlängenabhängiger Strahlversatz) als auch durch deren Keilform (Prismeneffekt) verursacht wird. Außerdem weist der Astigmatismus abseits der optischen Achse 18 nun einen feldlinearen Verlauf auf.
Die zweite Platte 30 dient zur Kompensation dieser verbleibenden Fehler. Wenn die zweite Platte 30, unabhängig vom Vorzeichen, um denselben Verkippungswinkel verkippt wird, wie die erste Platte 20, erzeugt die zweite Platte 30 einen zusätzlichen Beitrag zum Astigmatismus. Dieser kann immer durch einen geeignet geänderten Keilwinkel β der ersten Platte 20 und/oder durch einen geeignet geänderten Keilwinkel δ der zweiten Platte 30 ausgeglichen werden.
Wird die zweite Platte 30 im selben Verkippungswinkel, aber in die entgegengesetzte Richtung, gegen die optische Achse 18 verkippt, wie die erste Platte 20, wenn also das Vorzeichen der Neigung geändert wird, dann wirkt diese Anordnung tendenziell kompensierend für den verbleibenden Farbquerfehler. Für eine fest gewählte axiale Position der zweiten Platte 30 und für einen fest gewählten Verkippungswinkel der zweiten Platte 30 existiert also eine Kombination des Keilwinkels β der ersten Platte 20 und des Keilwinkels δ der zweiten Platte 30, für die der Astigmatismus auf der optischen Achse 18 verschwindet.
Es zeigt sich ferner die Tendenz, dass in der endgültigen Lösung die erste Platte 20 und die zweite Platte 30 jeweils in sich nur geringe Astigmatismusbeiträge erzeugen, d.h. bereits in sich nahezu korrigiert sind.
Weil eine solche Lösung für jeden Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30 existiert, wird dieser verbleibende Freiheitsgrad erfindungsgemäß genutzt, um auch die lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus zu korrigieren.
Bei der erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe 100 sind also bei gegebenem Verkippungswinkel α der ersten Platte 20 gegen die optische Achse 18 der Keilwinkel β der ersten Platte 20, der Keilwinkel δ der zweiten Platte 30 und der Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30 dergestalt aufeinander abgestimmt, dass ein Astigmatismus auf der optischen Achse 18 und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Dimensionieren einer erfindungsgemäßen Strahlteilerbaugruppe wird also bei gegebenem Abstand der ersten Platte 20 von der zweiten Platte 30 auf der optischen Achse 18 und einem gegebenen Verkippungswinkel α der ersten Platte 20 relativ zur optischen Achse 18, der Keilwinkel β der ersten Platte 20, der Keilwinkel δ der zweiten Platte 30 und ein Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30 variiert, bis der Astigmatismus auf der optischen Achse 18 und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind.
Für eine festgewählte Position der zweiten Platte auf der optischen Achse 18 und für einen fest gewählten Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30 existiert eine Kombination eines Keilwinkels β des ersten Platte 20, eines Keilwinkel δ der zweiten Platte 30, bei der auf der optischen Achse 18 sowohl der Astigmatismus als auch der Farbquerfehler verschwindet, also korrigiert sind.
Bei einer entsprechenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Keilwinkel β der ersten Platte 20, der Keilwinkel δ der zweiten Platte 30 und ein Verkippungswinkel γ der zweiten Platte 30 variiert, bis der Farbquerfehler auf der optischen Achse 18 korrigiert ist.
Die Komabeiträge der ersten Platte 20 und der zweiten Platte 20 sind für die in der Mikroskopie auftretenden numerischen Aperturen in der Zwischenbildebene 40 gering und können in der Praxis akzeptiert werden. Gegebenenfalls kann die axiale Position der zweiten Platte dergestalt optimiert sein, dass auch noch der Einfluss der Koma sowie ein Feldverlauf des Farbquerfehlers minimal sind.
Bei der entsprechenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Position der zweiten Platte 30 auf der optischen Achse 18 variiert, um Koma und/oder den Farbquerfehler über das Objektfeld zu minimieren.
Die erste Platte 20 und die zweite Platte 30 müssen nicht gleich dick sein. Variationen der Dicken der Platten liefern aber keine weiteren signifikanten Verbesserungen beim oben beschriebenen Vorgehen.
Außerdem kommt es durch die Platten wegen der Asymmetrie in x- und y-Richtung zu einer leichten Maßstabsänderung zwischen der x- und y-Achse, die aber insbesondere für Scanningsysteme in der Mikroskopie keine Rolle spielt und über eine Kalibrierung des Scannerachsen ausgeglichen werden kann.
Die oben erläuterte Kompensation des Astigmatismus ist brechzahlabhängig und gilt deshalb, jedenfalls wenn die erste Platte 20 und die zweite Platte 30 im Volumen jeweils aus einem homogenen Material mit einem einzigen Brechungsindex oder einer einzigen Brechzahl bestehen, streng in der Regel nur für eine gewählte Referenzwellenlänge, zum Beispiel eine Wellenlänge im Grünen (546 nm). Daher verbleibt für andere Farben dann in der Regel ein leichter Restbeitrag zum Astigmatismus, der aber für die Mikroskopie akzeptiert werden kann.
Wenn auch diese Restbeträge ausgeglichen oder reduziert werden sollen, können für die erste Platte 20 und/oder die zweite Platte 30 chromatisch korrigierte Doppelkeile oder Mehrfachkeile verwendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neuartige Strahlteilerbaugruppe für den Einsatz im konvergenten Strahlengang von Mikroskopen bereitgestellt, die nur wenige Komponenten erfordert, mithin platzsparend ist, und mit welcher für die Zwecke der Mikroskopie für die meisten Anwendungen hinreichende Kompensationen von Strahlaberrationen erreicht werden können.
Bezugszeichenliste

10: Strahlengang eines Mikroskops
11: Teilstrahlenbündel des Strahlengangs 10
12: Teilstrahlenbündel des Strahlengangs 10
13: Teilstrahlenbündel des Strahlengangs 10
14: kollimierter Teil des Strahlengangs 10, Unendlichraum
16: konvergenter Teil des Strahlengangs 10
18: optische Achse
20: erste Platte
30: zweite Platte
40: Zwischenbildebene
50: Tubuslinse
100: erfindungsgemäße Strahlteilerbaugruppe
α: Verkippungswinkel der ersten Platte 20 relativ zur Normalen der optischen Achse 18
β: Keilwinkel der ersten Platte 20
γ: Verkippungswinkel der zweiten Platte 30 relativ zur Normalen der optischen Achse 18
δ: Keilwinkel der zweiten Platte 30

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009044987 A1 [0003]
DE 102004058833 A1 [0003]

Claims

Strahlteilerbaugruppe zur Anordnung in einem nichtkollimierten Teil eines Strahlengangs (10) eines Mikroskops mit einer ersten Platte (20), die gegen eine optische Achse (18) um einen Verkippungswinkel (α) verkippt ist, und mit einer zweiten Platte (30), die gegen die optische Achse (18) um einen Verkippungswinkel (γ) verkippt ist, wobei die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) zum Einkoppeln und/oder zum Auskoppeln von Strahlung dient, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keilwinkel (β) der ersten Platte (20), ein Keilwinkel (δ) der zweiten Platte (30) und der Verkippungswinkel (γ) der zweiten Platte (30) dergestalt aufeinander abgestimmt sind, dass ein Astigmatismus auf der optischen Achse (18) und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind.
Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel (β) der ersten Platte (20), der Keilwinkel (δ) der zweiten Platte (30) und der Verkippungswinkel (γ) der zweiten Platte (30) dergestalt aufeinander abgestimmt sind, dass auch ein Farbquerfehler auf der optischen Achse (18) korrigiert ist.
Strahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der zweiten Platte (30) auf der optischen Achse (18) so gewählt ist, dass Koma und/oder der Farbquerfehler über das Objektfeld minimiert ist.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) im Volumen aus einem homogenen Material mit einem einzigen Brechungsindex besteht beziehungsweise jeweils aus einem homogenen Material mit einem einzigen Brechungsindex bestehen.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) ein Neutralstrahlteiler ist beziehungsweise jeweils Neutralstrahlteiler sind.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) ein 50:50-Neutralstrahlteiler ist beziehungsweise jeweils 50:50-Neutralstrahlteiler sind.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) ein chromatischer Strahlteiler ist beziehungsweise jeweils chromatische Strahlteiler sind.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) ein Polarisationsstrahlteiler ist beziehungsweise jeweils Polarisationsstrahlteiler sind.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) ein chromatisch korrigierter Doppelkeil ist beziehungsweise jeweils chromatisch korrigierte Doppelkeile sind.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) relativ zur optischen Achse (18) um einen Winkel im Bereich zwischen 30° und 70°, bevorzugt im Bereich zwischen 40° und 50° und insbesondere um 45°, verkippt ist.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keilwinkel (β) der ersten Platte (20) im Bereich zwischen 0 Bogenminuten und 30 Bogenminuten und bevorzugt zwischen 3 Bogenminuten und 10 Bogenminuten beträgt.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (30) relativ zur optischen Achse (18) in entgegengesetzter Richtung wie die erste Platte (20) verkippt ist.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Platte (30) relativ zur optischen Achse (18) um einen Winkel im Bereich zwischen 20° und 60° und bevorzugt in einem Bereich zwischen 30° und 40° verkippt ist.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Keilwinkel (δ) der zweiten Platte (30) im Bereich zwischen 0 Bogenminuten und 60 Bogenminuten und bevorzugt zwischen 8 Bogenminuten und 25 Bogenminuten beträgt.
Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) eine Plattendicke zwischen 0,5 mm und 20 mm aufweist oder aufweisen.
Verfahren zum Dimensionieren einer Strahlteilerbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem für einen gegebenen Abstand der ersten Platte (20) von der zweiten Platte (30) auf der optischen Achse (18) und einen gegebenen Verkippungswinkel (α) der ersten Platte (20) relativ zur optischen Achse (18), der Keilwinkel (β) der ersten Platte (20), der Keilwinkel (δ) der zweiten Platte (30) und der Verkippungswinkel (γ) der zweiten Platte (30) variiert wird, bis der Astigmatismus auf der optischen Achse (18) und eine lineare Feldabhängigkeit des Astigmatismus in einem Objektfeld korrigiert sind.
Verfahren nach einem der Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel (β) der ersten Platte (20), der Keilwinkel (δ) der zweiten Platte (30) und ein Verkippungswinkel (γ) der zweiten Platte (30) variiert werden bis der Farbquerfehler auf der optischen Achse (18) korrigiert ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position der zweiten Platte (30) auf der optischen Achse (18) variiert wird, um Koma und/oder den Farbquerfehler über das Objektfeld zu minimieren.
Mikroskop mit einem Beleuchtungsstrahlengang und einem Detektionsstrahlengang, bei dem im Beleuchtungsstrahlengang und/oder im Detektionsstrahlengang mindestens eine Strahlteilerbaugruppe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 vorhanden ist.
Mikroskop nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) der Strahlteilerbaugruppe (100) zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von Strahlung dient beziehungsweise dienen.
Mikroskop nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) der Strahlteilerbaugruppe (100) im Detektionsstrahlengang strahlaufwärts von der zweiten Platte (30) angeordnet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilerbaugruppe (100) zwischen einer Tubuslinse (50) und einer Zwischenbildebene (40) angeordnet ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (20) und/oder die zweite Platte (30) der Strahlteilerbaugruppe (100) von einer Zwischenbildebene (40) einen Abstand zwischen 30 mm und 200 mm aufweist oder aufweisen.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine numerische Apertur NA im Zwischenbild kleiner oder gleich 0,1 und dass insbesondere 0,002 ≤ NA ≤ 0,05 ist.
Mikroskop nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bilddurchmesser des Zwischenbilds strahlabwärts von einer Tubuslinse (50) wenige Millimeter, beispielsweise 2 Millimeter, bis 40 Millimeter beträgt.