DE8611904U1

DE8611904U1 - Strahlenbündelquerschnittsveränderndes optisches Linsen-Bauelement

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Publication number: DE8611904U1
Application number: DE19868611904
Authority: DE
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1988-04-28

Description

Strahlenbündelquerschni ttsveränderndes opti sches Li nsen-Bauelement (

Die Neuerung betrifft ein optisches Linsen-Bauelement, das in einem Strahlenbündel, welches aus mehreren Teil-Strahlenbündel &eegr; unterschiedlicher Wellenlängen besteht, in Wirkstellung gebracht werden kann.

Dabei handelt es sich beispielsweise um eine mikroskopische

Autofokus-Anordnung, mit der eine Dunkelfeldbeleuchtung realisiert werden kann.

Die prinzipielle Wirkungsweise einer Laserautofokus-Anordnung ist aus der DE-PS 32 19 503 bekannt. Wollte man bei einem derartigen Gerät eine Dunkelfeldbeleuchtung realisieren, so müßte eine kreisförmige Ausblendung des Zentralbereichs eines Beleuchtungsstrahlenbündels, beispielsweise mittels Einschwenkens eines gebräuchlichen Mittenstopps, vorgekommen werden. Dabei wird jedoch die Funktion des Laserautofokus unwirksam gemacht und außerdem wird das Meßlicht ebenfalls ausgeblendet.

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• t I « * t · *4 Φ* I

Zur Behebung dieses Nachteils wäre es demnach notwendig, den Dui!kelfeld^ÄStopp als Infrarot-Filter (IR-Filter) auszubilden, das das sichtbare Licht zu 100 % absorbiert, jedoch ab einem im nähen IR liegenden Wellerilä'hgeribereich öffnet. Eine derartige Maßnahme allein würde jedoch zu einem unerwünschten Fokusversatz führen, denn eine planparallele IR-Filterplatte verursacht im Strahlengang eine Schnittenweitenänderung.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Neuerung, ein optisches Bauelement anzugeben, das in Kombination eine wellenlängenabhängige Transmissions- bzw. Sperrwirkung und gleichzeitig eine ^v Fokusversatzkompensation in einem aus mehreren Teil-Strahlenbündel &eegr; bestehenden Gesamt-Strahlenbündel realisiert.

Die Aufgabe wird neuerungsgemäß durch ein strahlenbündelquerschnittsveränderndes optisches Bauelement gelöst, das einstückig ausgebildet ist und in Wirkstellung in einem mindestens zwei Teil-Strahlenbündel, die sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche diskret unterscheiden, umfassenden Gesamt-Strahlenbündel strahlenbündelkonvergierend bzw. -divergierend und zusätzlich für eines der Teil-Strahlenbündel lichtdurchlassend (transparent) sowie für ein weiteres Teil-Strahlenbündel lichtsperrend (opak) wirkt.

Dabei weist das Bauelement mindestens eine optisch wirksame Fläche auf. Vorteilhafterweise ist es als Filter-Linse ausgebildet. Es ist indes auch möglich, daß das optische Bauelement als Filter-Fresnellinse oder als Filterlinsen-Array vorliegt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Neuerung ist(sind) die Linse(n) als Sammellinse(n) ausgebildet. Mit Vorteil weist das optische Bauelement die Eigenschaft auf, daß es sichtbares Licht vollständig absorbiert und für kürzer- bzw. längerwelliges Licht, also einersaits für IR-Licht und andererseits für UV-Licht, transparent ist.

Das erfindungsgemäße optische Bauelement kann beispielsweise in einem mit einer Autofokus-Anordnung versehenen optischen Gerat zur Realisierung einer Dunkelfeldbeleuchtung, beispielsweise einem Auf1icht-Mikroskop mit im Infrarot (IR) arbeitender Laserauto-5 fokus-Vorrichtung, angeordnet se*n.

Das Bauelement kann zur Erzielung einer Dunkelfeldbeleuchtung als Intrarot-Fiicerlinse ausgebildet und in denjenigen Tel 1 eines ileleuchtungs-Gesamtstrahlenbündels in dessen achsnahen Zentralbereich einfligbar angeordnet sein, der beispielsweise zwischen &igr; &Lgr; &Igr;&Ogr; einem ersten Teilerspiegel und einem zweiten, vorzugsweise dichroitischen, Teilerspiegel verläuft.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die neuerungsgemäße Infrarot-Filterlinse derart auszubilden, daß sie sichtbares Licht vollständig absorbiert und ab einer im nahen IR-Bereich

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liegenden Wellenlänge eine transparente Filtercharakteristik aufweist, wobei maximale Transmission bei einer Wellenlänge von 903 nm gegeben ist. Die IR-Fi1terlinse kann bezüglich ihrer abbildungsrelevanten sowie ihrer Material- und Geometrie-Eigenschaften derart ausgewählt bzw. bemessen sein, daß ein durch Einschwenken dieser IR-Filterlinse in ein Beleuchtungsstrahlenbündel hervorgerufener Fokusversatz entsprechend kompensiert wird. Dabei ist es möglich, daß das als Filterlinse ausgebildete optische Bauelement in einer in den Strahlengang einschwenkbaren Einzelfassung mittels einer DrHpunkt-Aufhängung gehaltert ist. Die Dreipunkt-Aufhängung kann einen das optische Bauelement peripher umgreifenden Ring umfassen, von dem aus drei Verbindungsstege zum Einzelfassungs-Rahmen verlaufen. Zweckmäßigerweise bestehen der Ring und die Verbindungsstege aus transparentem Material. Schließlich ist es möglich, daß mehrere der neuerungsgemäBen optischen Bauelemente gleicher Querschnittsgeometrie und unterschiedlicher, die Abbildungseigenschaften beeinflußender Linsengeometrie auf einem gemeinsamen Träger, Schieber, Revolver oder dergleichen angeordnet und nacheinander in Wirkstellung bringbar sind.

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• &Ggr; 4 t

Die Neuerung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1: ein neuerungsgemäßes plankonvexes optisches

Bauelement (im Querschnitt), angeordnet in einem in ausschnittsweiser Seitenansicht sche

matisch dargestellten Auflicht-Mikroskop mit einer Autofokus-Anordnung;

Fig. 2: die Draufsicht a';f eine in einem Einzelfassungs-( Rahmen gehalterte IR-Filterlinse gemäß Fig. 1.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des neuerungsgemäßen optischen Bauelements wird zunächst auf Fig. 1 eingegangen. In Fig. 1 ist ein vertikal verlaufendes Abbildungsstrahlenbündel A dargestellt. Mit 1 ist ein Objekt bezeichnet, dessen Oberfläche sich in der Fokusebene befindet. Das Abbildungsstrahlenbündel A passiert zunächst ein Objektiv 2. Nach Verlassen der Objektivpupille 3

tritt das Bündel A durch einen ersten dichroitischen Teilerspiegel Tj, der im sichtbaren Bereich ein 50/50-Verhältnis und im IR eine hohe Reflexion aufweist. Nach Durchtritt durch eine Tubuslinse 4 wird in der Zwischenbildebene 5 ein Bild des Objektes 1 erzeugt. / 20 Danach gelangt das Bündel A zum nicht mit dargestellten Okular 0(&sfgr;.

Der Beleuchtungsstrahlengang dieses optischen Gerätes verläuft im dargestellten Fall horizontal. Von einer Lichtquelle 6 tritt das Beleuchtungsstrahlenbündel B nach Verlassen einer Optik 7 durch eine Aperturblende 8. Das Bündel B durchsetzt sodann einen zweiten dichroitischen Strahlenteiler T2, der einen möglichst hohen Transmissionswert für das von der Lichtquelle 6 kommende sichtbare Licht und einen möglichst hohen Re^.-v onswert für IR-Strahlen aufweist. In der Ebene der Leuchtfeldblende 9 befindet sich eine Marke 10, deren Funktion im vorliegenden Zusammenhang außer

Betracht bleiben kann.

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Das Bündel trifft sodann auf das neuerungsgemäße optische Bauelement, das als plankonvexe IR-Filterlinse 25 ausgebildet ist. Dieses Bauelement sperrt den Zentral bereich des von der Lichtquelle 6 kommenden Strahlenbündels B und läßt IR-Licht im wesentlichen ungehindert durch.

Nach Verlassen der Linse 11 trifft das Beleuchtungsstrahlenbündel B auf den ersten dichroiti sehen Strahlenteiler Tj, von wo aus die reflektierten Anteile in Richtung zum Objekt 1 umgelenkt werden.

Von der Laserlichtquelle, die in der gezeigten Form als Laserdiode LD ausgebildet ist, geht beispielsweise ein gepulstes Licht aus. Zweckmäßigerweise wird IR-Meßlicht verwendet, weil es das mikroskopische Bild nicht störend beeinflußt. Das Meßlichtbündel M wird über eine Linse 13 und sodann über eine Linse 14, die in axialer Richtung gemäß dem Doppelpfeil 15 verschoben werden kann, auf den dichroitischen Teilerspiegel Tg geleitet, der an der optischen Schnittstelle beider Strahlengänge M und B angeordnet ist. In der Zwischenbildebene, in der die Leuchtfeldblende 9 positioniert ist, wird ein Bild der Laserlichtquelle LD erzeugt. Die Aperturblende ist, wie auch die Leuchtbeldblende 9, motorisch verstellbar.

Damit der Meßspot 16 bei Defokussierung auf der Oberfläche des Objektes auswandert, wird eine Hälfte der Pupille 17 abgedeckt. Die geometrische Abdeckung einer Hälfte des Meßlichtbündels M gelingt mit Hilfe eines Umlenkprismas 18, welches in Höhe der Pupille 17 in den Meßstrahlengang fö hälftig eingeführt wird. Es enthält eine voll verspiegelte Prismenfläche 19. Der Teil des beleuchtungsseitigen Meßlichtbündels, der durch die Anordnung des Umlenkprismas 18 nicht behindert wird, ist in der Fig. 1 mit einer ersten Schraffur gekennzeichnet. Der außermittig verlaufende Teil des beleuchtungsseitigen Meß]ichtbündels ist mit dem Bezugszeichen M₀ versehen. Das Meßlicht gelangt also entlang Mj₃, d.h. außermittig und - im wesentlichen - parallel zur optischen Achse dieses Teilsystems, in die Objektivpupille 3.

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Ernst Leitz Wetzlar GmbH

Nach Reflexion an der Oberfläche des Objektes 1 passiert das remittierte MeBlichtstrahlenbündel M_r nach Reflexion an T2 diejenige Pupillenhälfte von 17, die vom Meßlichtbündel M_D nicht beleuchtet wird. Es wird sodann mittels der vollverspiegelten Fläche 19 des Umlenkprismas 18 aus dem beleuchtungsseitigen Meßstrahlengang M herausgespiegelt ir.d nach Totalreflexion an der Prismenfläche 20 sowie nach Durchtritt durch eine Optik 21 auf die Differenzdiode geleitet, die aus zwei Dioden Dj und D2 besteht.

Zwischen beiden Dioden befindet sich ein schmaler Spalt 22. Vor der Differenzdiode Dj, D2 ist eine Spaltblende 23 angeordnet. Sie besteht aus zwei Blendenhälften, zwischen denen ein Blendenspalt 24 freigehalten wird. Wie ersichtlich, verläuft der Blendenspalt 24 senkrecht zum Diodenspalt 22. Im Defokussierungsfall ist da^r. Bild des Spots 16 auf der Zentrallage, die in Fig. 1 dargestellt ist, ausgewandert. Nicht mitdargestellte Mittel steuern nach Maßgabe der Deplazierung des Spot-Bildes das Objekt 1, genauer: den Objekttisch 26, in Richtung des Doppelpfeils 27 bis zur völligen Wiederherstellung des Fokuszustandes.

In der Zwischenbildebene, in der die Leuchtfeldblende 9 angeordnet ist, befindet sich eine Marke 10, mit deren Hilfe die Lage des unsichtbaren Meßspots 16 ermittelt wird. Sie kann aus einer sandwichartigen Doppelglasplatte bestehen, die in ihrem Innern zwei sich im Plattenzentrum kreuzende Flüssigkristal lamellen aufweist, welche je nach angelegter Spannung den zentralen Kreuzungsbereich für das Beleuchtungslicht undurchlässig machen können.

Da die Linse 14 parallel zur optischen Achse des Meßlichtbündels M definiert verschoben werden kann, sind bei der gezeigten Einrichtung noch Zusatzfunktionen, wie "Offsef'-Einstellungen und FokuscHfferenzkörrekturiin zwischen infrarotem und sichtbaren Licht, möglich.

Pat Bl/Ho - 22.01.88 U (_ .",." .&Bgr;3085&Idigr; ."..".

&ogr;,, in Fig. 1 gezeigte statische Darstellung ist - wenn w den &zgr; f ungs-Rahmen ». der die neuerungsgemäße T**"**"" ttel.aru.faBt, um die Achse 32 aus *. —* -" «rschwenkt - prinzipiell aus der DE-PS 32 19 503 bekannt M,t . &ldquor;besc riebenen Anordnung laßt sich Jedoch ,-1,Hd. .,. olralfür Laserautofokus-Hellfeld-Auflichtbeleuchtung realisieren.

Bringt man Jedoch in den Zentral bereich des GesamtstrahlenbUndels

¹H. —«*<«·-· «->-«·^hier r ^iRr;r;;:::

25, hinein, so wird das von der Lichtquelle 6 kommende u ht zu 100% absorbiert und das von der Laserlicbtquee LD

° l hl Das ,. »r

u ht zu 100% absorbiert

lende ,KI* -^hindert durchgelassen Das ,. »r Fall als plankonvexe !«-Filtsrlinse 25

Bauelement ist derart dimensioniert, daß das sichtbare Lirtt ediglich in de. äußeren str^hlenbUndelbereich we,ter zur Unse lodann zu, ersten TeUerspiege, T₁ und von dort aus zum auf ;_e Objekttisch 26 befindlichen Objekt 1 gelangt. D-rt ,. e, e Dunkelfeld-Beleuchtung unter Beibehaltung der !R-Laser-Autofoku

&ldquor;,tion gewährleistet. Durch die Ausbildung des '^ZT mentes als IR-Filterlinse wird darüber hinaus vor allem auch ..n auftretender Fokusvo-satz automatisch kompensiert.

O _In Fi, 2 ist eine Draufsicht der in den Strahlengang bringbaren alterung für das neuerungsgemäße optische Bauelement, und zwar Sicht aus «ichtung der Lichtquelle 6, dargestellt Der zeKassungs-Bahmen 2B ist um eine Achse 3= in den Strahlengang _n. Tfj-Fmeriinse 25 wird mit einem gewissen

steae 29 mit dem äußeren Rahmen 28 zentriscn gehaltert w,rd. D,. - ilterlinse 25 ist an drei Stellen mit de» Ring 30 verbunden , Kittpunkte M. Der Ring 30 sowie H. Verbindungsstege te &Ggr;&eegr; aus fur sichtbares Licht transparente. Material. Ans ,&Pgr;. der gezeigten Dreipunkt-Aufhängung sind selbstverstandl,ch auch a ere Konstruktionen denkbar, wobei aber die in Fig. 2 geze,g &ldquor;anrrte den Vorteil gegenüber anderen Vorschlägen aufweist daß möglichst wenige Ha^-verbindungen im äußeren StrahlenbündelbereUh vorhanden sind.

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Anstelle einer Einzelaufhängung fUr das optische Bauelement sind auch Revolver, lineare Schieber, usw. zur Aufnahme mehrere IR-Filterlinsen einsetzbar, wobei zweckmä'ßigerweise jede der Linsen hinsichtlich ihres IR-Transmissionsverhaitens im wesentlichen gleichwirkend, aber hinsichtlich ihrer Brechkraft jeweils unterschiedlich ausgelegt sein sollte.

Mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wurde die Wirkungsweise, die Geometrie und die Halterung einer ganz bestimmten AusfUhrungsform des neuerungsgemäßen optischen Bauelementes erläutert.

XO Natürlich kann das optische Bauelement beispielsweise mater! al mäßig auch derart beschaffen sein, daß e.<* für sichtbares Licht vollständig absorbierend, jedoch für kurzwelliges (UV)-Licht transparent ist. Auf diese Weise läßt sich eine UV-FIuoreczenzeinrichtung mit einer Dunkel feidanordnung kombinieren.

Weitere Anwendungsbeispiele betreffen den Einsatz des optischen

Bauelementes als IR-Fresnel-(Filter)-Linse oder als Filter-Linsen-Ar ray.

Der Grundgedanke der vorliegenden Neuerung, nämlich ein optisches ( Bauelement, das in einen Endlich- oder einen Unendlich-Strahlengang gebracht werden kann, mit einer speziellen spektral selektiven Filterungscharakteristik auzustatten und dabei gleichzeitig die dadurch hervorgerufene geometrisch-optische Negativbeeinflussung durch entsprechende abbildungsrelevanten Kompensationsmaßnahmen auszugleichen, läßt sich in einer Vielzahl weiterer - hier nicht näher erläuterter - optischer Anordnungen realisieren.

Ernst Leiiz'Wetzlar <äM\ l··!· · :"*"'!

-15- Pat BI/WI - 21.04.86

A 2247/B 3085

Bezucfszelchen- bzw. Bezuqsziffern-Liste

I A	- Abbildungsstrahlenbündel
B	- Beleuchtungsstrahlenbündel
^D1' ^D2	- Dioden
&igr; r*	- uasenicniqueiie
M	- Meßlichtbündel
^Mb	- beleuchtungsseitiger Teil von (M)
^Mr	- remittiertes Meßlichtstrählenbündel
• °k	~- Okular
^T1	- erster Teilerspiegel
^T2	- zweiter (dichroitischer) Teilerspiegel
1	- Objekt
2	- Objektiv
3	- Objektivpupille
4	- Tubuslinse
5	- Zwischenbildebene
6	- Lichtquelle
7	- Optik
8	- Aperturblende
9	- Leuchtfeldblende
10	- Marke
V 11	- Linse
13	- Linse
14	- (axial verschiebliche) Linse
15	Doppelpfeil
16	- Meßspot
17	- Pupille
18	- Umlenkprisma
19	- (verspiegelte) Prismenfläche
20	- Prismenfläche
21	- Optik
22	- Spalt
23 §	- Spaltblende
3	• · · ·* ·»«·■ ■a ·-- · · ·"·· ···

Ernst Lertz Wetzlar

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-16-Pat Bi/Wi - 2i».04.86 A 2247/B 3085

24 25 26 27 28 25 30 31 32

- Blendenspalt

- (R-Filterlinse

- Objekttisch

- Doppelpfeil

-¹ Einzelfassungs-Rahmen

* Verbindungsstegiej

- Ring

- Kittpunkt(e)

- Achse

Claims

Schutzansprüche

1. Strahlenbündel querschnittsveränderndes optisches Linsen-Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es einstückig ausgebildet ist und in Wirkstellung in einem mindestens zwei Tei1-Strahlenbündel, die sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Wellenlängen bzw. Wellenlängebereiche diskret unterscheiden!, umfassenden Gesä.at-Strahlenbündel strahlenbündel konvergierend bzw. -divergierend und zusätzlich für eines der Tei!-Strahlenbündel lichtdurchlassend (transparent) sowie für ein weiteres Teil-Strahlenbündel lichtsperrend (opak) wirkt.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine nicht-plane optisch wirksame Fläche aufweist.

3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, d adurch gekennzeichnet, daß es als Filter-Linse ausgebildet ist.

2
-

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 2_t d adurcn gekennzeichnet, daß es als Filterfresnellinse ausgebildet ist.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, d adurch gekennzeichnet, daß es als

Filterlinsen-Array ausgebildet ist.

%

6. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis i,

"' dadurch gekennzeichnet, daß die Linse(n) als

/~\ Sammellinse(n) ausgebildet ist(sind).

7. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sichtbares Licht vollständig absorbiert und für kurzer- bzw. längerwelliges Licht transparent ist.

8. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es für Infrarot-Licht transparent ist.

9. Bauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es für Ultraviolett-Licht transparent ist.

10. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es als Infrarot-FilterHnse (25) ausgebildet ist, die sichtbares Licht vollständig absorbiert und ab einer im nahen IR-Bereich liegenden WeileiiläStge eine transparente Filtercharakteristik aufweist, wobei maximale Transmission bei einer Wellenlänge von 903 nm gegeben ist.

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11. Bauelement nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche« dadurch gekennzeichnet, daß es als IR-Filteriinse (25) ausgebildet ist und bezüglich seiner abbildungsrelevanten sowie seiner Material- und Geometrie-Eigenschaften derart ausgewählt bzw. bemessen ist, daß ein durch Einschwenken dieser IR-FiIterlineo (25) in ein Seleuchtungsstrahlsnbündsl {3) hervorgerufener Fokusversatz entsprechend kompensiert wird.

12. Bauelement nach mindestens einem der Ansprüche 10 und 11,

C dadurch gekennzeichnet, daß es in einer in

den Strahlengang des Gesamt-StrahlenbiiMeis einschwenkbaren

Einzelfassung - vorzugsweise mittels einer Dreipunkt-Aufhängung gehaltert ist (Fig. 2).

13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreipunkt-Aufhängung einen das optische Bauelement (25) peripher umgreifenden Ring (30) umfaßt, von dem aus drei Verbindungsstege (29) zum Einzelfassungs-Rahmen (28) verlaufen, und daß der Ring (30) und die Verbindungsstege (29) aus transparentem Material bestehen.