DE102010033722A1 - Method for eliminating unwanted radiation portions from light detected from illuminated sample by laser scanning microscope, involves passing acousto optical tunable filter through two pole components - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der Technik:State of the art:
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Jang-Woo You et al., Opt. Express (2008), Vol. 16, No. 26 pp. 21505Jang-Woo You et al., Opt. Express (2008), Vol. 16, no. 26 pp. 21505 -
Donley et al., Rev. Sci. Instrum. (2005), Vol. 76, pp. 063112Donley et al., Rev. Sci. Instrum. (2005), Vol. 76, pp. 063112 -
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In
Die Wellenlängen werden spektral räumlich separiert.The wavelengths are spectrally spatially separated.
Zur Darstellung eines Laser-Scanning-Mikroskopes wird weiterhin auf
Das Licht zweier Laser oder Lasergruppen LQ1 und LQ2 gelangt jeweils über Hauptfarbteiler HFT1 und HFT2 zur Trennung von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang, die schaltbar als dichroitische Filterräder ausgebildet sein können und auch auswechselbar sein können um die Auswahl der Wellenlängen flexibel zu gestalten, und das Beleuchtungslicht reflektieren zunächst über einen Scanner, bestehend vorzugsweise aus zwei unabhängigen galvanometrischen Scanspiegeln für die X- und Y Ablenkung, in Richtung einer (nicht dargestellten Scanoptik SL und über diese und das Mikroskopobjektiv in üblicher Weise auf die Probe. Das Probenlicht gelangt in Rückrichtung durch die Teiler HFT1, HFT2 hindurch in Richtung der Detektion D.The light of two laser or laser groups LQ1 and LQ2 passes through main color splitter HFT1 and HFT2 for the separation of illumination and detection beam path, which can be configured as switchable dichroic filter wheels and can also be interchangeable to make the selection of wavelengths flexible, and reflect the illumination light first via a scanner, consisting preferably of two independent galvanometric scanning mirrors for the X and Y deflection, in the direction of a (not shown scanning optics SL and on this and the microscope objective in the usual way to the sample.) The sample light passes in the return direction through the divider HFT1 , HFT2 in the direction of detection D.
Hier passiert das Detektionslicht zunächst ein Pinhole PH über eine dem Pinhole vor- und nachgeordnete Pinholeoptik PHO und eine Filteranordnung F zur schmalbandigen Ausfilterung unerwünschter Strahlungsanteile, bestehend beispielsweise aus Notchfiltern, und gelangt über einen Strahlteiler BS, der optional bei entsprechender Schaltung über einen transmissiven Anteil eine Auskopplung auf externe Detektionsmodule ermöglicht, einen Spiegel M sowie weitere Umlenkungen auf ein Gitter G zur spektralen Aufspaltung der Detektionsstrahlung.Here, the detection light passes first a pinhole PH via a Pinholeoptik upstream and downstream Pinholeoptik PHO and a filter arrangement F for narrow-band filtering unwanted radiation components, consisting for example Notchfiltern, and passes through a beam splitter BS, optionally with appropriate circuit via a transmissive component Extraction to external detection modules allows a mirror M and further deflections on a grid G for spectral splitting of the detection radiation.
Die vom Gitter G aufgespalteten divergenten Spektralanteile werden mittels eines abbildenden Spiegels IM kollimiert und gelangen in Richtung einer Detektoranordnung, die aus einzelnen PMT1, PMT2 im Randbereich und einem zentral angeordneten Mehrkanaldetektor MPMT besteht.The divergent spectral components split by the grating G are collimated by means of an imaging mirror IM and pass in the direction of a detector arrangement consisting of individual PMT1, PMT2 in the edge region and a centrally arranged multichannel detector MPMT.
Anstelle des Mehrkanaldetektors kann auch ein weiterer Einzeldetektor verwendet werden.Instead of the multichannel detector, a further single detector can also be used.
Vor einer Linse L1 befinden sich zwei senkrecht zur optischen Achse verschiebbare Prismen P1, P2 im Randbereich; die einen Teil der Spektralanteile vereinigen, die über die Linse L1 auf die einzelnen PMT1 und 2 fokussiert werden. Der restliche Teil der Detektionsstrahlung wird nach Durchgang durch die Ebene der PMT1 und 2 über eine zweite Linse L2 kollimiert und spektral separiert auf die einzelnen Detektionskanäle des MPMT gerichtet.In front of a lens L1, there are two prisms P1, P2, which are displaceable perpendicular to the optical axis, in the edge region; which combine a part of the spectral components which are focused on the individual PMT1 and 2 via the lens L1. The remaining part of the detection radiation is collimated after passage through the plane of the PMT1 and 2 via a second lens L2 and spectrally separated directed to the individual detection channels of the MPMT.
Durch Verschiebung der Prismen P1, P2 kann in flexibler Weise eingestellt werden, welcher Teil des Probenlichtes über den MPMT spektral separiert detektiert wird und welcher Teil über die Prismen P1, P2 zusammengefasst durch PMT1 und 2 detektiert wird.By shifting the prisms P1, P2 it is possible to adjust in a flexible manner which part of the sample light is detected spectrally separated by the MPMT and which part is detected by the prisms P1, P2 summarized by PMT1 and 2.
Problemstellungproblem
Der Kontrast der Bildgebung in einem Laser-Scanning-Microskop wird entscheidend durch die Effizienz der Unterdrückung der spektralen Anteile der Anregungsstrahlung im Spektrum des Detektionslichtes bestimmt. Im Wesentlichen ermöglicht ein geeigneter Hauptfarbteiler, das Anregungslicht einer oder mehrerer Strahlungsquellen sowohl auf den Detektionsstrahlengang aufzufädeln als auch das an der Probe reflektierte bzw. gestreute Licht räumlich von dem Fluoreszenzlicht zu trennen. Konventionell werden hierfür Hauptfarbteiler bestehend aus einem oder mehreren dichroitischen Spiegeln eingesetzt, die auf maximale Unterdrückung einer bestimmten Anzahl fester Bereiche im Spektrum der transmittierten Strahlung optimiert sind. Allerdings erweisen sich die festen Filtereigenschaften der dichroitischen Spiegel als Nachteil, falls die Auswahl der Anregungswellenlängen geändert werden soll. Dagegen gewährleistet ein auf die gewünschten Anregungswellenlängen einstellbarer Hauptfarbteiler zwar die angestrebte Flexibilität bezüglich der Filtereigenschaften, doch ermöglichen solche Anordnungen nur eine eingeschränkte Unterdrückung des Anregungslichtes im Detektionsstrahlengang.The contrast of the imaging in a laser scanning microscope is decisively determined by the efficiency of the suppression of the spectral components of the excitation radiation in the spectrum of the detection light. In essence, a suitable main color splitter enables the excitation light of one or more radiation sources to be threaded onto the detection beam path as well as to spatially separate the light reflected or scattered from the sample from the fluorescent light. Conventionally, main color separators consisting of one or more dichroic mirrors are used which are optimized for maximum suppression of a certain number of fixed regions in the spectrum of the transmitted radiation. However, the fixed filter properties of dichroic mirrors prove to be a disadvantage if the choice of excitation wavelengths is to be changed. On the other hand, although a main color divider which can be set to the desired excitation wavelengths ensures the desired flexibility with regard to the filter properties, However, such arrangements allow only a limited suppression of the excitation light in the detection beam path.
Mit Hilfe eines zusätzlich im Strahlengang des Detektionslichtes angeordneten Emissionsfilters soll es möglich sein, die restlichen spektralen Anteile des Anregungslichtes aus dem Detektionsstrahlengang auszublenden. Um weiterhin die Flexibilität des Gesamtsystems bezüglich deren Filtereigenschaften zu gewährleisten, soll der Emissionsfilter auf die Anregungswellenlängen gezielt einstellbar sein. Somit soll die Kombination aus einem durchstimmbaren Hauptfarbteiler und einem durchstimmbaren Emissionsfilter eine spektral flexible und effiziente Unterdrückung der Strahlungsanteile des Anregungslichtes im Spektrum der Detektionsstrahlung ermöglichen.With the aid of an additionally arranged in the beam path of the detection light emission filter, it should be possible to hide the remaining spectral components of the excitation light from the detection beam path. In order to further ensure the flexibility of the overall system with regard to their filter properties, the emission filter should be selectively adjustable to the excitation wavelengths. Thus, the combination of a tunable main color divider and a tunable emission filter should enable a spectrally flexible and efficient suppression of the radiation components of the excitation light in the spectrum of the detection radiation.
Als Emissionsfilter für die Nutzung in einem Fluoreszenz-Mikroskop eignet sich ein akusto-optischer durchstimmbarer Filter (acousto-optical tunable filter – AOTF). Dieses aktiv-schaltbare optische Element ermöglicht, die spektralen Anteile des an der Probegestreuten oder reflektieren Laserlichts aus dem Detektionsstrahlengang der Fluoreszenz zu entfernen. Allerdings bewirkt eine einmalige Filterung lediglich eine Unterdrückung der Anregungsstrahlung im Detektionsspektrum von weniger als 2OD (optische Dichten, entspricht einer Transmission von 0.01). Des Weiteren erfährt die Strahlung in konventionellen AOTF's aufgrund des Kristallschnittes durch Dispersion eine räumlich-spektrale Aufspaltung. Die einmalige Nutzung eines einzelnen konventionellen AOTF erfordert eine zusätzliche Nachfilterung und eine optische Korrektur der spektralen Aufspaltung.The emission filter for use in a fluorescence microscope is an acousto-optical tunable filter (AOTF). This actively-switchable optical element makes it possible to remove the spectral components of the laser scattered or reflected by the sample from the detection beam path of the fluorescence. However, a one-time filtering only causes a suppression of the excitation radiation in the detection spectrum of less than 2OD (optical densities, corresponding to a transmission of 0.01). Furthermore, the radiation in conventional AOTFs due to the crystal cut by dispersion undergoes a spatial-spectral splitting. The single use of a single conventional AOTF requires additional post-filtering and optical correction of the spectral splitting.
Vorteile, Wirkungen und Beschreibung der ErfindungAdvantages, effects and description of the invention
Ein erfindungsgemäßes, auf AOTFs basierendes Emissionsfilter, das einen zweimaligen Durchlauf des Fluoreszenzlichtes durch das AOTF erlaubt, hat den Vorteil, dass eine hohe (> 3OD) und sehr schmalbandige (< 2 nm FWHM) Unterdrückung von Anregungslicht im Spektrum des Fluoreszenzlichtes erreicht wird, wobei zudem die zu filternde Mittenwellenlänge frei auf die verwendeten Laserwellenlängen einstellbar ist. Des Weiteren verfügen die erfindungsgemäßen Anordnungen über sehr hohe Transmission von bis zu 90% für Fluoreszenzlicht und erlauben die simultane Filterung von mehreren Anregungswellenlängen, wobei für jede Polarisationsrichtung einer Wellenlänge eine Ansteuerfrequenz geschaltet wird.An AOTF-based emission filter according to the invention, which allows the fluorescent light to pass through the AOTF twice, has the advantage that a high (> 3OD) and very narrow-band (<2 nm FWHM) suppression of excitation light in the spectrum of the fluorescent light is achieved In addition, the center wavelength to be filtered is freely adjustable to the laser wavelengths used. Furthermore, the arrangements according to the invention have a very high transmission of up to 90% for fluorescent light and allow the simultaneous filtering of several excitation wavelengths, wherein a drive frequency is switched for each polarization direction of a wavelength.
Das ist ein Vorteil gegenüber bekannten Anordnungen, wo das Detektionslicht nur in einer Polarisationsrichtung, die der Anregungsstrahlungspolarisation entspricht, gefiltert wird. Eine vergleichbare Anordnung nach dem Stand der Technik, basierend auf dielektrischen Notchfiltern, die je nach verwendeter Laserwellenlänge in den Strahlengang sequentiell eingeschwenkt werden, würde bei simultaner Filterung von vier Anregungswellenlängen einen Transmissionsgrad für Fluoreszenzlicht von lediglich 85% aufweisen und zudem deutlich breitere Sperrbänder (ca. 10–25 nm FWHM in Abhängigkeit von der Wellenlänge) in das Spektrum einfügen, was besonders zu Lasten der Detektion des Fluoreszenzmaximums ginge.This is an advantage over known arrangements where the detection light is filtered only in a direction of polarization corresponding to the excitation radiation polarization. A comparable arrangement according to the prior art, based on dielectric notch filters, which are sequentially swiveled into the beam path depending on the laser wavelength used, would have a transmittance for fluorescent light of only 85% with simultaneous filtering of four excitation wavelengths and also significantly wider stop bands (ca. 10-25 nm FWHM depending on the wavelength) in the spectrum, which would be particularly at the expense of the detection of the fluorescence maximum.
Der AOTF weist vorteilhaft zueinander parallele Ein- und Austrittsflächen auf.The AOTF advantageously has mutually parallel entry and exit surfaces.
Das hat gegenüber der Darstellung in
Ein AOTF gemäß
Weiterhin könnten bei Verwendung eines AOTF nach
Beschreibung der AbbildungenDescription of the pictures
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen:List of used reference signs:
-
- AOTF, AOTF1, AOTF2:AOTF, AOTF1, AOTF2:
- Akustooptischer einstellbarer (tunable) FilterAcousto-optic tunable filter
- OA:OA:
- Optische Achse des AOTF KristallsOptical axis of the AOTF crystal
- D, D1, D2:D, D1, D2:
- ObjektlichtObjektlicht
- Ln:ln:
- Laser 1 – n zur ProbenbeleuchtungLaser 1 - n for sample illumination
- L1, L2:L1, L2:
- Beispielhaft zwei unterschiedliche Wellenlängen von LnFor example, two different wavelengths of Ln
- PBS:PBS:
- PolstrahlteilerPolstrahlteiler
- s, p:s, p:
- Polarisationskomponentenpolarization components
- M1–M12:M1-M12:
- Spiegelmirror
- BB:BB:
- Blende, Lichtblocker oder Lichtfalle oder LichtumleitungAperture, light blocker or light trap or light redirection
- BDP:BDP:
- Doppelbrechendes PolarisationsprismaBirefringent polarization prism
- QWP:QWP:
- ViertelwellenplatteQuarter-wave plate
- HWP:HWP:
- HalbwellenplatteHalf-wave plate
- F1, F2:F1, F2:
- Ringförmige FilteranordnungAnnular filter arrangement
Ein AOTF besteht aus einem anisotropen doppelbrechenden optischen Kristall, an den ein Piezokristall gekoppelt ist. Im Allgemeinen erfährt die eingehende unpolarisierte Strahlung beim Durchqueren des Kristalls eine räumliche Trennung in die zueinander senkrecht linear polarisierten ordentlichen und außerordentlichen Strahlen. Durch das Anlegen einer an die ausgewählte Wellenlänge und die Polarisation des einfallenden Lichts angepassten Radiofrequenz an den Piezokristall wird in dem AOTF-Kristall eine Ultraschallwelle erzeugt, die sich durch den Kristall fortpflanzt. In einem nichtkollinearen AOTF bewirkt die Wechselwirkung der propagierenden Strahlung mit dieser Schallwelle eine Beugung eines durch die Periodizität der Schallwelle vorgegebenen spektralen Anteils des Lichts, wobei die Ablenkung abhängig von dem Polarisationszustand in die erste bzw. minus erste Beugungsordnung erfolgt. Die restlichen spektralen Anteile werden transmittiert und legen die nullte Beugungsordnung fest. Abhängig von dem Polarisationszustand der Strahlung ist es möglich, mittels eines AOTF's mehrere schmalbandige spektrale Bereiche aus dem Licht einer breitbandigen Quelle auszuwählen und räumlich von der Reststrahlung zu trennen. Ein geeignetes räumliches Filter ermöglicht es, diese spektralen Anteile aus dem Strahlengang auszublenden. Für die Strahlung in der nullten Beugungsordnung wirkt hierdurch ein AOTF wie ein schmalbandiges durchstimmbares Notchfilter, der ausgewählte Anteile im Lichtspektrum unterdrückt.An AOTF consists of an anisotropic birefringent optical crystal to which a piezocrystal is coupled. In general, the incoming unpolarized radiation undergoes a spatial separation into the perpendicularly linearly polarized ordinary and extraordinary rays as it traverses the crystal. By applying a radio frequency adapted to the selected wavelength and the polarization of the incident light to the piezoelectric crystal, an ultrasonic wave is generated in the AOTF crystal, which propagates through the crystal. In a non-collinear AOTF, the interaction of the propagating radiation with this sound wave causes a diffraction of a predetermined by the periodicity of the sound wave spectral component of the light, wherein the deflection is carried out depending on the polarization state in the first or minus first diffraction order. The remaining spectral components are transmitted and determine the zeroth diffraction order. Depending on the polarization state of the radiation, it is possible to select a plurality of narrow-band spectral regions from the light of a broadband source by means of an AOTF and to spatially separate them from the residual radiation. A suitable spatial filter makes it possible to hide these spectral components from the beam path. For the radiation in the zeroth diffraction order, an AOTF acts as a narrow-band, tunable notch filter, which suppresses selected components in the light spectrum.
In
Hier wie in den weiteren nachfolgenden Abbildungen kann der erfindungsgemäße Emissionsfilter im Detektionsstrahlengang eines LSM wie anhand
Dargestellt ist Probenlicht D mit unterschiedlicher Polarisierung.Shown is sample light D with different polarization.
Die Anteile des Beleuchtungslichtes In werden beispielhaft mit L1 und L2 bezeichnet, die unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.The portions of the illumination light In are exemplified by L1 and L2 having different wavelengths.
D und L bilden gemeinsam das vom Objekt stammende Licht D + L.D and L together form the light D + L originating from the object.
Hier wird zunächst davon ausgegangen, dass das Beleuchtungslicht in der Regel eine lineare Polarisation aufweist, die den Polteiler PBS daher nur in einer Richtung passiert.Here, it is initially assumed that the illumination light generally has a linear polarization, which therefore only passes the pole splitter PBS in one direction.
Diese optische Anordnung umfasst ein einzelnes AOTF, das von dem Objektlicht (D + L) zweimal durchlaufen wird. Die Einkopplung des Objektlichtes (D + L) in die Anordnung und die Auskopplung der von den ungewünschten spektralen Anteilen gefilterten Strahlung in Richtung des Detektors erfolgt an einem polarisierenden Strahlteilerwürfel (PBS). Hier wird das p-polarisierte Objektlicht (D + L) transmittiert und durchläuft das AOTF. Durch das Anlegen der geeigneten Frequenzen am AOTF werden die Strahlungsanteile des Anregungslichtes (L1, L2) in die ersten Ordnungen gebeugt und mittels der geeigneten räumlichen Filter (BB1) aus dem Detektionsstrahlengang ausgeblendet. Die Filter BB können Lichtfallen oder Strahlumlenkeinheiten sein, die gegebenenfalls auch eine Weiterverwertung des Anregungslichtes für die Beleuchtung der Probe ermöglichen könnten. Die Filter BB sind hier vereinfacht als Raumblenden mit einem Durchgang für das Probenlicht dargestellt.This optical arrangement comprises a single AOTF which is traversed twice by the object light (D + L). The coupling of the object light (D + L) into the arrangement and the extraction of the radiation filtered by the unwanted spectral components in the direction of the detector takes place on a polarizing beam splitter cube (PBS). Here, the p-polarized object light (D + L) is transmitted and passes through the AOTF. By applying the appropriate frequencies to the AOTF, the radiation components of the excitation light (L1, L2) are diffracted into the first orders and masked out of the detection beam path by means of the suitable spatial filters (BB1). The filters BB can be light traps or beam deflecting units, which could possibly also enable a further utilization of the excitation light for the illumination of the sample. The filters BB are shown here in simplified form as room apertures with a passage for the sample light.
Das p-polarisierte Detektionslicht (D1) durchläuft den PBS, bleibt in der nullten Beugungsordnung des AOTF und wird mit Hilfe eines Spiegels (M1) in sich selbst zurückreflektiert.The p-polarized detection light (D1) passes through the PBS, remains in the zeroth order of diffraction of the AOTF and is reflected back into itself by means of a mirror (M1).
Das an M1 reflektierte Licht durchquert das AOTF ein zweites Mal, wodurch eine erneute Filterung des Detektionslichtes (D1) möglich ist. Um die eingehende und ausgehende Strahlung am polarisierenden Strahlteiler (PBS) voneinander trennen zu können, wird zwischen den AOTF und den Spiegel (M) eine achromatische Viertelwellenplatte (QWP) zur Drehung der Polarisationsebene des p Anteils angeordnet. Das Detektionslicht (D1) durchquert erneut das AOTF, wobei der Polarisationszustand der zurückreflektierten Strahlungsanteile infolge eines doppelten Durchgangs durch die Viertelwellenplatte um 90° gedreht wird. Ein zweiter an die resultierende s-Polarisation der ausgewählten spektralen Anteilen angepasster Satz von Frequenzen bewirkt erneut eine räumliche Separation der Strahlungsanteile des Anregungslichtes (L1, L2) von dem Detektionslicht (D1). Mittels der räumlichen Filter BB2 wird die von der Probe gestreute oder reflektierte Strahlung aus dem Detektionsstrahlengang ausgeblendet. Abschließend erfährt das von den spektralen Anteilen des Anregungslichtes bereinigte s-polarisierte Detektionslicht (D) an dem polarisierenden Strahlteiler (PBS) eine Ablenkung und wird in Richtung des Detektors geleitet.The light reflected at M1 traverses the AOTF a second time, allowing the detection light (D1) to be filtered again. In order to be able to separate the incoming and outgoing radiation at the polarizing beam splitter (PBS), an achromatic quarter wave plate (QWP) is arranged between the AOTF and the mirror (M) for rotation of the polarization plane of the p component. The detection light (D1) again traverses the AOTF, the polarization state of the reflected radiation portions being rotated by 90 ° as a result of a double pass through the quarter wave plate. A second set of frequencies, adapted to the resulting s-polarization of the selected spectral components, again causes a spatial separation of the radiation components of the excitation light (L1, L2) from the detection light (D1). By means of the spatial filter BB2, the radiation scattered or reflected by the sample is masked out of the detection beam path. Finally, the s-polarized detection light (D), which has been cleared of the spectral components of the excitation light, undergoes a deflection at the polarizing beam splitter (PBS) and is directed in the direction of the detector.
Die s-polarisierte Komponente der von der Probe kommenden Strahlung (D + L), die im wesentlichen aus dem Probenlicht, insbesondere Fluoreszenzlicht besteht, wird an dem PBS reflektiert und mit Hilfe einer Anordnung bestehend aus einem Viertelwellenplatte (QWP) und einem Spiegel (M2) gedreht als p-polarisiertes Detektionslicht (D2) auf den Detektionsstrahlengang wieder aufgekoppelt. Hierbei wird angenommen, dass die für die Anregung genutzte Beleuchtungsstrahlung p-polarisiert ist und der Polarisationszustand nach der Wechselwirkung mit der Probe beibehalten wird. Daher wird der s-polarisierte Anteil des Objektlichtes (D + L) als nahezu frei von Strahlungsanteilen des Anregungslichtes betrachtet.The s-polarized component of the radiation coming from the sample (D + L), which consists essentially of the sample light, in particular Fluorescence light is reflected on the PBS and with the aid of an arrangement consisting of a quarter wave plate (QWP) and a mirror (M2) rotated as p-polarized detection light (D2) coupled to the detection beam path again. In this case, it is assumed that the illumination radiation used for the excitation is p-polarized and the state of polarization is maintained after the interaction with the sample. Therefore, the s-polarized portion of the object light (D + L) is considered to be almost free of radiation components of the excitation light.
Der an M2 reflektierte nunmehrige p Anteil durchquert den PBS in Richtung der Detektion DE.The now reflected p component reflected at M2 passes through the PBS in the direction of the detection DE.
In
In Erweiterung von
Diese optische Anordnung ermöglicht mittels eines einzelnen AOTF beide Polarisationskomponenten des Objektlichts (D + L) von den Strahlungsanteilen des Anregungslichts (L1, L2) effizient zu bereinigen. Hierzu werden beide Polarisationsanteile des Objektlichts (D + L) an einem polarisierenden Strahlteiler (PBS) räumlich voneinander getrennt und aus unterschiedlichen Winkeln in das AOTF eingekoppelt.This optical arrangement makes it possible, by means of a single AOTF, to efficiently clean both polarization components of the object light (D + L) from the radiation components of the excitation light (L1, L2). For this purpose, both polarization components of the object light (D + L) are spatially separated from one another at a polarizing beam splitter (PBS) and coupled from different angles into the AOTF.
Der s-Anteil wird am PBS reflektiert und gelangt über einen Spiegel M5 auf den AOTF während der p-Anteil durch den PBS hindurch auf den AOTF gelangt.The s component is reflected at the PBS and reaches the AOTF via a mirror M5 while the p component passes through the PBS onto the AOTF.
Besonders vorteilhaft lässt sich diese Anordnung ausgestalten, indem die beiden Ebenen, die zum einen durch die beiden einfallenden Strahlen (Draufsicht in der Abbildung) und zum anderen durch die Ausbreitungsrichtung der Schallwelle und der optischen Achse (Seitenansicht in der Abbildung) aufgespannt werden, senkrecht aufeinander stehen. In diesem Fall ist die Phasenanpassung der Eingangsstrahlen an die akustische Welle nicht kritisch, so dass die Orientierung der Eingangsstrahlen innerhalb der erwähnten Ebene beliebig ist und lediglich der Aperturanpassung des AOTF-Kristalls unterliegt.Particularly advantageous, this arrangement can be configured by the two planes, which are spanned on the one hand by the two incident rays (top view in the figure) and the other by the propagation direction of the sound wave and the optical axis (side view in the figure) perpendicular to each other stand. In this case, the phase matching of the input beams to the acoustic wave is not critical, so that the orientation of the input beams within the mentioned plane is arbitrary and subject only to the aperture fitting of the AOTF crystal.
Die Anteile können auch symmetrisch, d. h. unter gleichem Winkel zu OA eingestrahlt werden, wie in
Somit erfolgt die Einkopplung beider Polarisationsanteile unter den gleichen Bedingungen für die Phasenanpassung. Durch das Anlegen der an die Polarisationskomponenten (p und s) der Anregungsstrahlung (L1, L2) angepassten akustischen Frequenzen werden die Strahlungsanteile des Anregungslichtes (L1, L2) in die ersten Ordnungen gebeugt und mittels eines räumlichen Filters BB1 aus dem Detektionsstrahlengang ausgeblendet. Beide Polarisationsanteile des Detektionslichtes (D1, D2) bleiben jeweils in der nullten Ordnung und werden jeweils mittels eines Spiegels (M3 und M4) in sich selbst reflektiert.Thus, the coupling of both polarization components takes place under the same conditions for phase matching. By applying the acoustic frequencies adapted to the polarization components (p and s) of the excitation radiation (L1, L2), the radiation components of the excitation light (L1, L2) are diffracted into the first orders and masked out of the detection beam path by means of a spatial filter BB1. Both polarization components of the detection light (D1, D2) each remain in the zeroth order and are each reflected by means of a mirror (M3 and M4) in itself.
Die reflektierten Anteile durchlaufen das AOTF ein zweites Mal, wodurch eine erneute Filterung der Anteile des Detektionslichtes (D1, D2) durch Ausblendung von L1, L2 an BB2 möglich ist. Um die eingehende und ausgehende Strahlung am polarisierenden Strahlteiler (PBS) voneinander trennen zu können, wird zwischen dem AOTF und den Spiegeln (M3, 4) für beide Polarisationsanteile (D1, D2) jeweils eine achromatische Viertelwellenplatte QWP angeordnet. Somit erfahren beide Anteile des Detektionslichts (D1, D2) infolge des doppelten Durchgangs durch die jeweilige Viertelwellenplatte (QWP) eine Drehung der Polarisationsrichtung um 90°. Beide Polarisationsanteile des Detektionslichts (D1, D2) werden an dem polarisierenden Strahlteiler (PBS) wieder räumlich überlagert, reflektiert und auf den Detektionsstrahlengang DE aufgekoppelt.The reflected components pass through the AOTF a second time, whereby a new filtering of the portions of the detection light (D1, D2) by blanking L1, L2 to BB2 is possible. In order to be able to separate the incoming and outgoing radiation at the polarizing beam splitter (PBS), an achromatic quarter wave plate QWP is arranged between the AOTF and the mirrors (M3, 4) for both polarization components (D1, D2). Thus, both portions of the detection light (D1, D2) undergo a rotation of the polarization direction by 90 ° due to the double passage through the respective quarter wave plate (QWP). Both polarization components of the detection light (D1, D2) are again spatially superimposed on the polarizing beam splitter (PBS), reflected and coupled onto the detection beam path DE.
Es wird also davon ausgegangen, dass auch das Anregungslicht Ln unterschiedliche Polarisationsanteile s und p enthalten kann.It is therefore assumed that the excitation light Ln can also contain different polarization components s and p.
An PBS erfolgt eine Aufteilung von D + Ln in Polarisationsanteile s (reflektiert in Richtung AOTF1 über M8) und p (transmittiert in Richtung AOTF2).A division of D + Ln into polarization components s (reflected in direction AOTF1 via M8) and p (transmitted in direction AOTF2) takes place on PBS.
Wie in
Nach der zweiten Filterung im Rücklauf werden die s- und p-Polarisationskomponenten des Detektionslichtes (entsprechend D1 und D2) an dem polarisierenden Strahlteilerwürfel (PBS) wieder überlagert und zu dem Detektor DE geleitet.After the second filtering in the return, the s and p polarization components of the detection light (corresponding to D1 and D2) are again superimposed on the polarizing beam splitter cube (PBS) and directed to the detector DE.
Der s- und p Anteil ist nach der Drehung nunmehr ein p- und s Anteil und wird an PBS reflektiert (s Anteil) bzw. transmittiert (p Anteil) The s and p components are now a p and s component after the rotation and are reflected on PBS (s component) or transmitted (p component)
Hierdurch ist es möglich beide Polarisationsanteile des Objektlichtes effizient zu filtern, unabhängig von dem Polarisationszustand des Anregungslichtes.This makes it possible to efficiently filter both polarization components of the object light, regardless of the polarization state of the excitation light.
In
Die Viertelwellenplatten QWP können hier entfallen, weil der zunächst an PBS reflektierte s Anteil nach Durchlauf von AOTF1 und AOTF2 am PBS wieder in Richtung DE gespiegelt wird, während der zunächst an PBS transmittierte p Anteil nach Durchlauf von AOTF2 und AOTF1 in entgegengesetzter Richtung wieder von PBS in Richtung DE transmittiert wird.The quarter wave plates QWP can be dispensed with here, because the s component initially reflected at PBS is mirrored again in the direction DE after passage of AOTF1 and AOTF2 on the PBS, while the p portion initially transmitted to PBS returns to PBS after passing AOTF2 and AOTF1 in the opposite direction is transmitted in the direction of DE.
Zu beachten ist dass die Orientierung des Teilerspiegels von PBS hier in Bezug auf die bisherigen Darstellungen in
Die p-Polarisation (Polarisationsrichtung des Anregungslichtes) des Objektlichtes wird hier mit Hilfe eines polarisierenden Strahlteilerwürfels (PBS) an PBS reflektiert und in eine ringförmige Filteranordnung (F1) eingekoppelt, die aus einem Umlenkspiegel M12, einer Halbwellenplatte HWP, Umlenkspiegeln M13, M14 sowie einem AOTF besteht.The p-polarization (polarization direction of the excitation light) of the object light is here reflected by means of a polarizing beam splitter cube (PBS) to PBS and coupled into an annular filter assembly (F1) consisting of a deflection mirror M12, a half-wave plate HWP, deflection mirrors M13, M14 and a AOTF exists.
Das s-polarisierte Objektlicht wird als nahezu frei von den Strahlungsanteilen des Anregungslichtes angenommen, an PBS reflektiert und direkt in Richtung des Detektors DE geführt. Die p-Polarisationskomponente des Objektlichtes durchläuft als p1 das AOTF, wobei die Spektralanteile des Anregungslichtes L1, L2 wie schon oben beschrieben an BB aus dem Strahlengang ausgeblendet werden. Mittels einer achromatischen Halbwellenplatte (HWP) wird die Polarisation des p-polarisierten Detektionslichtes (D1) um 90° gedreht, es entsteht s1. Hierdurch wird s-polarisiertes Detektionslicht (D1) s1 am PBS reflektiert und durchläuft erneut als s2 das AOTF und die Halbwellenplatte (HWP), wobei nach dem zweitem Durchlauf die p-polarisierten Anteile p2 durch PBS hindurchgehen und also aus der Filteranordnung (F1) mittels des polarisierenden Strahlteilers (PBS) ausgekoppelt werden und zusammen mit dem ungefilterten s-polarisierten Objektlicht S in Richtung des Detektors DE geführt werden.The s-polarized object light is assumed to be almost free of the radiation components of the excitation light, reflected on PBS and guided directly in the direction of the detector DE. The p-polarization component of the object light passes through the AOTF as p1, the spectral components of the excitation light L1, L2 being blanked out of the beam path at BB as described above. By means of an achromatic half-wave plate (HWP), the polarization of the p-polarized detection light (D1) is rotated by 90 °, resulting in s1. As a result, s-polarized detection light (D1) s1 is reflected at the PBS and again passes through the AOTF and the half-wave plate (HWP) as s2, the p-polarized portions p2 passing through PBS after the second pass and thus out of the filter arrangement (F1) of the polarizing beam splitter (PBS) and are guided together with the unfiltered s-polarized object light S in the direction of the detector DE.
Die Orientierung des Teilerspiegels in PBS entspricht der in
Die p-polarisierten Anteile p des Objektlichtes (D + L) werden am polarisierenden Strahlteiler (PBS) transmittiert und durchlaufen die in der
Hier sind zwei PBS mit entgegengesetzter Orientierung der Teilerschicht vorgesehen.Here are two PBS provided with opposite orientation of the splitter layer.
Die p-polarisierten Anteile des Objektlichtes (D + L) durchlaufen die der
Abschließend wird die von den Strahlungsanteilen des Anregungslichtes L1, L2 an BB bereinigte Detektionsstrahlung (D1) mit den s-polarisierten Strahlungsanteilen von D + Ln an PBS1 wieder räumlich überlagert und gelangt in Richtung von PBS2. Eine der Filteranordnung (F1) nachgeordnete achromatische Halbwellenplatte (HWP) dreht den Polarisationszustand der aus s und p Anteilen bestehenden Strahlung um 90°.Finally, the detection radiation (D1) which is adjusted by the radiation components of the excitation light L1, L2 to BB is spatially superimposed again on the PBS1 with the s-polarized radiation components of D + Ln and arrives in the direction of PBS2. An achromatic half-wave plate (HWP) arranged downstream of the filter arrangement (F1) rotates the polarization state of the radiation consisting of s and p portions by 90 °.
Hierdurch werden das von den Strahlungsanteilen des Anregungslichtes bereinigte Detektionslicht (D1) als s-polarisierte Strahlung am zweiten polarisierenden Strahlteiler (PBS2) reflektiert und in Richtung des Detektors DE geführt. Die p-polarisierten Anteile des Objektlichtes werden am PBS2 transmittiert und in eine weitere,
Die Strahlung durchläuft also die Anordnung F2 wieder doppelt, wobei der Polarisationszustand des Detektionslichtes (D2) bei jedem Durchlauf mittels einer achromatischen Halbwellenplatte (HWP) um 90° gedreht wird.The radiation thus passes through the arrangement F2 again twice, wherein the polarization state of the detection light (D2) is rotated by 90 ° with each pass by means of an achromatic half-wave plate (HWP).
Die Frequenzen des AOTF sind für beide Polarisationszustände an die spektralen Bereiche des Anregungslichtes (L1, L2) angepasst. Somit werden die ungewünschten spektralen Anteile des Anregungslichtes L1, L2 an BB bei jedem Durchlauf aus dem Detektionsstrahlengang (D2) gezielt ausgeblendet. Das p-polarisierte, ebenfalls von den Strahlungsanteilen des Anregungslichtes bereinigte Licht (D2) wird am polarisierenden Strahlteiler (PBS) transmittiert und zusammen mit D1 in Richtung des Detektors DE geführt.The frequencies of the AOTF are adapted to the spectral regions of the excitation light (L1, L2) for both polarization states. Thus, the unwanted spectral components of the excitation light L1, L2 are blinded to BB at each pass from the detection beam path (D2) targeted. The p-polarized light (D2), which is likewise cleared of the radiation components of the excitation light, is transmitted at the polarizing beam splitter (PBS) and guided together with D1 in the direction of the detector DE.
Das zweite doppelbrechende Element BDP2 kann auch optional vorgesehen sein und die Strahlung aus PBS kann auch direkt auf den Detektor DE gelangen.The second birefringent element BDP2 may also be optionally provided and the radiation from PBS may also pass directly to the detector DE.
Im Unterschied zu der eingangs zitierten
Wird die Blende (BB) (eine der Blenden) durch ein Spiegel (M) ersetzt, so ist vorteilhaft zusätzlich auch eine Einkopplung der polarisierten Beleuchtungsstrahlung (L1, L2) in Richtung der Probe über die erste Beugungsordnung möglich.If the diaphragm (BB) (one of the diaphragms) is replaced by a mirror (M), coupling of the polarized illumination radiation (L1, L2) in the direction of the sample over the first diffraction order is advantageously also possible.
In diesem Fall dient diese Anordnung überraschend auch als durchstimmbarer Hauptfarbteiler, wobei das Detektionslicht (D1) doppelt gefiltert wird.In this case, this arrangement also surprisingly serves as a tunable main color splitter, wherein the detection light (D1) is filtered twice.
Dies ist vorteilhaft auch bei den anderen Darstellungen
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