DE102020201808A1 - Method and device for aligning an optical element in a beam path - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten mindestens eines Elements, bei dem eine Strahlung entlang eines Strahlengangs (2) geführt und mittels eines Detektors (7) erfasst wird, der eine Mehrzahl von Detektorelementen (7.n) aufweist.Kennzeichnend ist, dass zum Zwecke der Ausrichtung des mindestens einen Elements ein mit dem auszurichtenden Element verbundenes Phasenelement (4) in den Strahlengang eingebracht wird; die Strahlung mittels des Phasenelements (4) in mindestens zwei Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) aufgeteilt und jeder der Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) auf voneinander verschiedene Detektorelemente (7.n) des Detektors (7) gelenkt wird und wenigstens ein Parameter der Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) erfasst wird. Die Parameter der erfassten Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) werden jeweils als Ist-Wert erfasst und mit einem Soll-Wert verglichen. Anhand des Vergleichs der Ist- und der Soll-Werte miteinander werden aktuelle Lageparameter des (optischen) Elements des Strahlengangs (2) ermittelt Steuerbefehle generiert, mittels denen der aktuelle Lageparameter des (optischen) Elements zur Angleichung der Ist-Werte an die Soll-Werte beeinflusst wird.The invention relates to a method and a device for aligning at least one element, in which radiation is guided along a beam path (2) and detected by means of a detector (7) which has a plurality of detector elements (7.n). that for the purpose of aligning the at least one element, a phase element (4) connected to the element to be aligned is introduced into the beam path; the radiation is divided into at least two partial beams (5.1 to 5.4) by means of the phase element (4) and each of the partial beams (5.1 to 5.4) is directed onto mutually different detector elements (7.n) of the detector (7) and at least one parameter of the partial beams ( 5.1 to 5.4) is recorded. The parameters of the recorded partial beams (5.1 to 5.4) are recorded as actual values and compared with a target value. Based on the comparison of the actual and target values, current position parameters of the (optical) element of the beam path (2) are determined and control commands are generated by means of which the current position parameters of the (optical) element are used to align the actual values with the target values being affected.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausrichten eines Elements in einem Strahlengang, insbesondere in einem Detektionsstrahlengang eines Mikroskops.The invention relates to a method and a device for aligning an element in a beam path, in particular in a detection beam path of a microscope.
Eine fundamentale Problemstellung in optischen Instrumenten betrifft das Ausrichten von, insbesondere optischen, Elementen und Bauteilen bezüglich anderer Elemente beziehungsweise gegenüber einem optischen Strahlengang einer optischen Anordnung. Je nach Position im Strahlengang kann eine Ausrichtung optischer Elemente relativ zueinander direkt oder mittels einbringbarer Hilfsmittel beobachtbar sein. Beispielsweise können Autokollimationsfernrohre (AKF; autocollimators) verwendet werden, die am optischen Eingang oder Ausgang eines optischen Instrumentes angebracht werden und eine Ausrichtung der Komponenten unter direkter Beobachtung ermöglichen. Nicht immer sind Bauelemente aber frei zugänglich beobachtbar und es besteht häufig aufgrund kompakter Bauformen auch nicht die Möglichkeit, optische Hilfsmittel zur Justage im Instrument oder an Instrumentenausgängen anzubringen.A fundamental problem in optical instruments relates to the alignment of, in particular optical, elements and components with respect to other elements or with respect to an optical beam path of an optical arrangement. Depending on the position in the beam path, an alignment of optical elements relative to one another can be observed directly or by means of aids that can be introduced. For example, autocollimation telescopes (AKF; autocollimators) can be used, which are attached to the optical input or output of an optical instrument and enable the components to be aligned under direct observation. However, components are not always freely accessible and observable and, due to their compact designs, there is often no possibility of attaching optical aids for adjustment in the instrument or at the instrument outputs.
Auf der anderen Seite enthalten optische Instrumente häufig Lichtdetektoren, welche ebenfalls zum Strahlengang ausgerichtet werden müssen, also Bestandteil des optischen Pfades beziehungsweise Strahlengangs sind und welche häufig nicht entfernt werden dürfen, um z. B. kurzzeitig durch ein AKF ersetzt zu werden.On the other hand, optical instruments often contain light detectors, which must also be aligned to the beam path, so are part of the optical path or beam path and which must often not be removed in order to z. B. to be temporarily replaced by an AKF.
Moderne Laserscanningmikroskope (LSM) wie die LSMs 800/900 und LSMs 880/980 (Carl Zeiss Microscopy GmbH) weisen Detektoren mit 32-Kanälen (= 32 Detektorelemente) auf, die eine schnelle konfokale Parallelabtastung der sogenannten Point-Spread-Funktion (PSF) des Mikroskops während der mikroskopischen Bildabrasterung erlauben. Solche Detektoren werden nachfolgend auch als Airyscan-Detektoren bezeichnet. Der Airyscan-Detektor ist in einer zum Ursprungsort der Detektionsstrahlung beziehungsweise zum Fokus konjugierten Bildebene als Detektorebene angeordnet. Die auf den Detektor auftreffende Detektionsstrahlung wird, inklusive außerfokaler Anteile, mit der Vielzahl von Detektorelementen erfasst, was die Erfassung und Auswertung der jeweiligen lokalen Verteilung der Intensitäten der erfassten Detektionsstrahlung ermöglicht (
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit zum Ausrichten eines Lichtstrahls bezüglich eines Detektors besteht darin, den Lichtstrahl auf einen Detektor zu richten, der mehrere Detektorelemente oder Detektorflächen aufweist. Werden beispielsweise von allen mit dem Lichtstrahl beaufschlagten Detektorelementen gleiche Messwerte beispielsweise der Intensität erfasst, kann auf eine symmetrische Ausrichtung des Lichtstrahls bezüglich der Achse des Detektors (Detektorachse) geschlossen werden. Entsprechend können abweichende Messwerte der Detektorelemente ausgewertet und genutzt werden, um Steuerbefehle zu erzeugen und beispielsweise mittels angetriebener Stellmittel den Lichtstrahl und den Detektor zueinander auszurichten. Mit einer solchen Vorgehensweise können allerdings leichte Winkelfehler in der Ausrichtung optischer Elemente zueinander nicht oder nur ungenügend erkannt werden.One possibility known from the prior art for aligning a light beam with respect to a detector consists in directing the light beam onto a detector which has a plurality of detector elements or detector surfaces. If, for example, the same measured values, for example the intensity, are recorded from all detector elements acted upon by the light beam, a symmetrical alignment of the light beam with respect to the axis of the detector (detector axis) can be concluded. Correspondingly, different measured values of the detector elements can be evaluated and used in order to generate control commands and, for example, to align the light beam and the detector with one another by means of driven actuating means. With such a procedure, however, slight angular errors in the alignment of optical elements with respect to one another cannot be recognized, or only inadequately.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zum Ausrichten insbesondere optischer Elemente eines Strahlengangs vorzuschlagen, bei der auch Winkelfehler erkannt werden können. The invention is based on the object of proposing a possibility for aligning, in particular, optical elements of a beam path, in which angle errors can also be recognized.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous refinements can be found in the dependent claims.
So wird die Aufgabe mit einem Verfahren zum Ausrichten mindestens eines Elements gelöst, bei dem eine Strahlung entlang des Strahlengangs geführt und mittels eines Detektors erfasst wird, der eine Mehrzahl von Detektorelementen aufweist. Das auszurichtende Element ist insbesondere ein optisches Element wie eine Linse, eine Blende, ein Filter, ein Spiegel oder dergleichen. Auch wenn mittels der Erfindung grundsätzlich auch ein Element oder ein Bauteil ausgerichtet werden kann, das nicht optisch wirksam wird, soll die Erfindung im Folgenden anhand eines optischen Elements erläutert werden. Der Strahlengang ist insbesondere ein Detektionsstrahlengang, in dem Strahlung (Lichtstrahl) geführt und mittels des Detektors erfasst wird.The object is achieved with a method for aligning at least one element in which radiation is guided along the beam path and detected by means of a detector which has a plurality of detector elements. The element to be aligned is in particular an optical element such as a lens, a diaphragm, a filter, a mirror or the like. Even if an element or a component that is not optically effective can in principle also be aligned by means of the invention, the invention is to be explained below with reference to an optical element. The beam path is in particular a detection beam path in which radiation (light beam) is guided and detected by means of the detector.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Ausrichtung des mindestens einen (optischen) Elements ein mit dem auszurichtenden Element verbundenes phasenveränderndes / phasenschiebendes Element (nachfolgend verkürzend: Phasenelement) in den Strahlengang eingebracht wird. Die Strahlung (auch: Strahl), genauer: das Strahlenbündel, wird mittels des Phasenelements in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Jeder der Teilstrahlen wird dabei auf verschiedene Detektorelemente des Detektors gelenkt, die räumlich voneinander getrennt sind und beispielsweise in einer orthogonal zur Detektorachse liegenden Detektionsebene einander benachbart sind. Die Detektorelemente erfassen wenigstens einen Parameter der Teilstrahlen als Messwerte, beispielsweise die Intensitätswerte der jeweiligen Teilstrahlen. Die so erhaltenen Ist-Werte werden mit entsprechenden Soll-Werten verglichen, die beispielsweise individuell für die einzelnen Teilstrahlen festgelegt sind. Anhand des Vergleichs der Ist- und der Soll-Werte werden aktuelle Lageparameter des optischen Elements ermittelt. Diese können neben den Koordinaten des optischen Elements auch dessen relative Winkellage sein. Die ermittelten Koordinaten und/oder Winkellagen bilden die Grundlage um Steuerbefehle zu generieren, durch deren Ausführung aktuelle Lageparameter des optischen Elements zur Angleichung der Ist-Werte an die Soll-Werte beeinflusst werden.The method is characterized in that, for the purpose of aligning the at least one (optical) element, a phase-changing / phase-shifting element connected to the element to be aligned (hereinafter for short: phase element) is introduced into the beam path. The radiation (also: beam), more precisely: the beam, is divided into at least two partial beams by means of the phase element. Each of the partial beams is directed onto different detector elements of the detector, which are spatially separated from one another and are adjacent to one another, for example, in a detection plane lying orthogonally to the detector axis. The detector elements detect at least one parameter of the partial beams as measured values, for example the intensity values of the respective partial beams. The so The actual values obtained are compared with corresponding setpoint values which, for example, are set individually for the individual partial beams. Current position parameters of the optical element are determined on the basis of the comparison of the actual and target values. In addition to the coordinates of the optical element, these can also be its relative angular position. The determined coordinates and / or angular positions form the basis for generating control commands, the execution of which influences current position parameters of the optical element for aligning the actual values with the target values.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorteilhaft der ohnehin im Strahlengang angeordnete Detektor verwendet werden, wodurch ein aufwendiger Tausch des Detektors gegen ein Justierhilfsmittel vermieden werden kann. Wenn kein Ausrichten des optischen Elements erfolgt, kann der Detektor daher zur Erfassung von Detektionsstrahlung verwendet werden.The detector, which is already arranged in the beam path, can advantageously be used to carry out the method according to the invention, as a result of which a costly exchange of the detector for an adjustment aid can be avoided. If the optical element is not aligned, the detector can therefore be used to detect detection radiation.
Das Phasenelement ist vorzugsweise direkt mit dem auszurichtenden optischen Element verbunden und beispielsweise auf oder an diesem befestigt. Alternativ kann das Phasenelement auch indirekt, beispielsweise über ein mechanisches Getriebe oder ein Gelenk mit dem optischen Element verbunden sein. Von Bedeutung ist lediglich, dass aktuelle Lageparameter des optischen Elements in eineindeutiger Weise mit der aktuellen Lage und den jeweiligen optischen Wirkungen des Phasenelements in Beziehung stehen.The phase element is preferably connected directly to the optical element to be aligned and, for example, fastened on or to it. Alternatively, the phase element can also be connected to the optical element indirectly, for example via a mechanical gear or a joint. It is only important that current position parameters of the optical element are related in a one-to-one manner to the current position and the respective optical effects of the phase element.
Das Prinzip der Erfindung wird beispielhaft in
Wird beispielsweise die in
In der
In den
Beträgt zum Beispiel der Strahldurchmesser 4,2 mm, dann könnte die Phasenmaske
Die Grundidee der Erfindung besteht also darin, Anteile des eintreffenden Bündels paralleler Strahlen in verschiedene Winkel und damit auf unterschiedliche Orte (Spots) des Detektors, insbesondere eines Flächendetektors, abzulenken. Anhand der Auswertung der an den unterschiedlichen Orten, also mittels eines oder mehrerer Detektorelemente, erfassten Intensitäten kann ermittelt werden, wann das ablenkende Element, insbesondere das Phasenelement, zentriert im Strahlenbündel der Strahlung steht.The basic idea of the invention therefore consists in deflecting portions of the incident bundle of parallel rays into different angles and thus onto different locations (spots) of the detector, in particular of an area detector. On the basis of the evaluation of the intensities detected at the different locations, that is to say by means of one or more detector elements, it can be determined when the deflecting element, in particular the phase element, is centered in the beam of radiation.
Als Flächendetektor kann beispielsweise ein CCD-Array, ein EMCCD, ein CMOS-, ein sCMOS-Array oder ein Array aus Photolawinendioden (photon avalanche diode, APD) oder Einphotonenlawinendioden (single photon avalanche diode, SPAD), ein Array von Sekundärelektronenvervielfachern (photon multiplying tube, PMT), ein Quadranten-PMT-Detektor, eine Quadranten-Fotodiode oder ein 5-Kanaldetektor verwendet sein. Dabei können Messwerte einer festgelegten oder dynamisch ausgewählten Anzahl von Detektorelementen in der Auswertung zusammengeführt werden (sogenanntes „binning“). Vorteilhaft wird ein sogenannter Airyscan-Detektor eingesetzt, bei dem zweidimensional eine Mehrzahl von Detektorelementen angeordnet ist.For example, a CCD array, an EMCCD, a CMOS, an sCMOS array or an array of photon avalanche diodes (APD) or single photon avalanche diodes (SPAD), an array of secondary electron multipliers (photon multiplying tube, PMT), a quadrant PMT detector, a quadrant photodiode or a 5-channel detector can be used. Measured values from a fixed or dynamically selected number of detector elements can be combined in the evaluation (so-called “binning”). A so-called Airyscan detector is advantageously used, in which a plurality of detector elements are arranged two-dimensionally.
Das beschriebene Prinzip der Erfindung kann in weiteren Ausgestaltungen auf zwei Dimensionen erweitert werden. Eine Phasenmaske (auch: Justierphasenmaske) kann beispielsweise in vier Quadranten unterteilt sein, welche das Licht in unterschiedliche Raumrichtungen ablenken. Dadurch entstehen vier getrennte Teilstrahlen, welche durch optische Fokussierung vier in einer Detektionsebene liegende Lichtpunkte (Spots) ergeben, deren Intensitätsunterschiede dem Versatz der Phasenmaske im Strahlengang entsprechen. Im einfachsten Design der Phasenmaske sind die Quadranten gegeneinander gekippte Flächen und erzeugen dadurch seitliche Strahlablenkungen. Komplexere refraktive und diffraktive Designs werden weiter unten erörtert.The described principle of the invention can be expanded to two dimensions in further refinements. A phase mask (also: adjustment phase mask) can be divided into four quadrants, for example, which deflect the light in different spatial directions. This results in four separate partial beams which, through optical focusing, result in four points of light lying in a detection plane, the differences in intensity of which correspond to the offset of the phase mask in the beam path. In the simplest design of the phase mask, the quadrants are surfaces that are tilted towards one another and thus generate lateral beam deflections. More complex refractive and diffractive designs are discussed below.
Die Aufgabe wird außerdem mit einer Vorrichtung gelöst, die mindestens ein, insbesondere optisches, Element in einem Strahlengang aufweist. Dabei ist eine Strahlung entlang des Strahlengangs, der insbesondere ein Detektionsstrahlengang ist, geführt und mittels eines Detektors erfasst. Der Detektor weist eine Mehrzahl von Detektorelementen auf.The object is also achieved with a device which has at least one, in particular optical, element in a beam path. In this case, radiation is guided along the beam path, which is in particular a detection beam path, and detected by means of a detector. The detector has a plurality of detector elements.
Kennzeichnend für eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist, dass zum Zwecke der Ausrichtung des mindestens einen (optischen) Elements ein mit dem auszurichtenden Element verbundenes Phasenelement in den Strahlengang eingebracht, insbesondere eingeschwenkt oder eingeschoben, werden kann.A characteristic of a device according to the invention is that, for the purpose of aligning the at least one (optical) element, a phase element connected to the element to be aligned can be introduced into the beam path, in particular pivoted or pushed in.
Durch Wirkung des Phasenelements wird die Strahlung in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Jeder der Teilstrahlen wird auf voneinander verschiedene Detektorelemente des Detektors gelenkt, von denen wenigstens ein Parameter der Teilstrahlen erfasst wird beziehungsweise erfasst werden kann. Weiterhin ist eine Auswerte- und Steuerungseinheit vorhanden, die so konfiguriert ist, dass Parameter der erfassten Teilstrahlen jeweils als Ist-Werte erfasst und mit Soll-Werten verglichen werden. Anhand des Vergleichs der Ist- und der Soll-Werte miteinander werden aktuelle Lageparameter des optischen Elements des Detektionsstrahlengangs ermittelt. Die Konfiguration der Steuereinheit erlaubt die Generierung von Steuerbefehlen, mittels denen der aktuelle Lageparameter des Elements zur Angleichung der Ist-Parameter an die Soll-Parameter beeinflusst wird beziehungsweise beeinflusst werden kann.The action of the phase element divides the radiation into at least two partial beams. Each of the partial beams is directed to mutually different detector elements of the detector, of which at least one parameter of the partial beams is or can be detected. Furthermore, there is an evaluation and control unit which is configured in such a way that parameters of the recorded partial beams are recorded as actual values and compared with setpoint values. Current position parameters of the optical element of the detection beam path are determined on the basis of the comparison of the actual and target values with one another. The configuration of the control unit allows the generation of control commands, by means of which the current position parameter of the element for aligning the actual parameters with the target parameters is or can be influenced.
Das Phasenelement kann beispielsweise auf oder an einem Bauteil in Form eines Rades, einer Kurvenscheibe oder eines Schiebers vorhanden sein. Solch ein Bauteil ist beispielsweise ein Revolver, ein Filterrad, ein Wechselrad, ein Schieber oder eine in den Strahlengang einschwenkbare Kurvenscheibe.The phase element can be present, for example, on or on a component in the form of a wheel, a cam disk or a slide. Such a component is, for example, a revolver, a filter wheel, a change wheel, a slide or a cam that can be swiveled into the beam path.
In unterschiedlichen Ausführungen der Vorrichtung kann das Phasenelement als ein diffraktives und/oder ein refraktives Element ausgebildet sein. Dabei kann das Phasenelement zum Beispiel ein Phasengitter oder eine Phasenmaske sein.In different versions of the device, the phase element can be designed as a diffractive and / or a refractive element. The phase element can be, for example, a phase grating or a phase mask.
In einer möglichen weiteren Ausführung der Vorrichtung ist das Phasenelement ansteuerbar und kann manuell oder automatisiert gesteuert veränderbar sein. Beispielsweise ist das Phasenelement durch einen akustooptischen Filter (AOTF) oder einen akustooptischen Modulator (AOM) gebildet.In a possible further embodiment of the device, the phase element is controllable and can be changed in a manually or automatically controlled manner. For example, the phase element is formed by an acousto-optical filter (AOTF) or an acousto-optical modulator (AOM).
Das auszurichtende optische Element kann in variabel gestalteten Vorrichtungen optional in den Detektionsstrahlengang eingebracht und entfernt werden, um so verschiedene Betriebszustände zu ermöglichen und/oder eine bessere Zugänglichkeit zum Strahlengang zu erlauben.The optical element to be aligned can optionally be introduced into and removed from the detection beam path in variably configured devices in order to enable different operating states and / or to allow better accessibility to the beam path.
Vorteilhaft ist es, wenn der Detektor im Strahlengang der Vorrichtung verbleibt und zur Erfassung von Detektionsstrahlung eingerichtet ist. Auf diese Weise kann der Detektor zur Datenerfassung, beispielsweise zur Bilderfassung, genutzt werden, wenn kein Ausrichten des optischen Elements erfolgt. Ein Austausch des Detektors beispielsweise gegen ein Autokollimationsfernrohr (AKF) zum Zwecke des Ausrichtens kann vorteilhaft unterbleiben.It is advantageous if the detector remains in the beam path of the device and is set up to detect detection radiation. In this way, the detector can be used for data acquisition, for example for image acquisition, when the optical element is not being aligned. An exchange of the detector for example against an autocollimation telescope (AKF) for the purpose of alignment can advantageously be omitted.
Um die gewünschte Unterteilung des auftreffenden Strahlenbündels in Teilstrahlen sowie deren Auslenkung auf unterschiedliche Orte des Detektors zu realisieren, weist das Phasenelement wenigstens einen strukturierten Bereich auf, durch dessen optische Wirkung ein auftreffender Strahl der Strahlung in mindestens zwei, insbesondere in vier, Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die Teilstrahlen überlagern sich dabei nicht. Die Teilstrahlen lassen sich mittels optischer Elemente zu Lichtpunkten (Spots) in der Detektorebene fokussieren. Deren Intensitätsunterschiede entsprechen dem Versatz des Phasenelements im Strahlengang.In order to achieve the desired subdivision of the incident beam into partial beams and their deflection to different locations on the detector, the phase element has at least one structured area, the optical effect of which divides an incident beam of radiation into at least two, in particular four, partial beams. The partial beams do not overlap. The partial beams can be focused to light points (spots) in the detector plane by means of optical elements. Their differences in intensity correspond to the offset of the phase element in the beam path.
In einer Ausführung weist das Phasenelement, das insbesondere als Phasenmaske ausgebildet ist, eine Trägerschicht auf, die den wenigstens einen strukturieren Bereich und mindestens eine Referenzmarke aufweist, die zur lagerichtigen Montage der Phasenmaske dient. Die Referenzmarke kann beispielsweise eine Aussparung in der Trägerschicht sein. Die Trägerschicht ist beispielsweise eine Glasplatte, in deren Oberfläche der strukturierte Bereich erzeugt ist. Die kann beispielsweise durch Ätzen, Schleifen und/oder Beschichten erfolgen.In one embodiment, the phase element, which is designed in particular as a phase mask, has a carrier layer which has the at least one structured region and at least one reference mark which is used for mounting the phase mask in the correct position. The reference mark can, for example, be a recess in the carrier layer. The carrier layer is, for example, a glass plate, in the surface of which the structured area is produced. This can be done, for example, by etching, grinding and / or coating.
Beispielsweise kann das Phasenelement auf dem Wechselrad an einem präzise definierten Ort angebracht werden. Die auf dem Phasenelement vorhandenen Referenzmarken zum positionsgenauen Ausrichten des Phasenelements auf dem Wechselrad können gegenüber präzisen Bohrungen der Lichtdurchtrittsöffnungen des Wechselrades ausgerichtet und verklebt werden. Über das Einbringen des Phasenelements in den Strahlengang und unter Verwendung des Flächendetektors kann das Wechselrad korrekt gegenüber dem Strahlengang positioniert werden.For example, the phase element can be attached to the change wheel at a precisely defined location. The reference marks present on the phase element for the precise alignment of the phase element on the change wheel can be aligned and glued with respect to precise bores in the light passage openings of the change wheel. By introducing the phase element into the beam path and using the area detector, the change wheel can be correctly positioned in relation to the beam path.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, der Vorrichtung sowie des Phasenelements, insbesondere der Justierphasenmaske ergeben sich beispielsweise bei der Ausrichtung von optischen Elementen, welche auf einem Wechselrad präzisionsgenau aufgebracht waren. Mit dem Wechselrad konnten die unterschiedlichen Elemente in den Strahlengang eingeschwenkt werden. Unter Nutzung der beschriebenen Erfindung konnte das Wechselrad zum optischen Strahlengang ausgerichtet werden. Die Erfindung erlaubt das Ausrichten beispielsweise des Wechselrades, ohne dass zum Beispiel ein Techniker mit einem teuren AKF ausgestattet werden muss. Ist bereits ein PMT-Flächendetektor, beispielsweise ein Airyscan-Detektor, im Strahlengang vorhanden und soll dieser zur Vereinfachung des Justiervorgangs nicht erst ausgebaut werden, kann der vorhandene Detektor für das Ausrichten verwendet werden. Eine Justierung mittels AKF würde demgegenüber einen Ausbau des Detektors erfordern.The advantages of the method according to the invention, of the device and of the phase element, in particular the adjustment phase mask, result, for example, in the alignment of optical elements which were applied with precision to a change wheel. With the change wheel, the different elements could be swiveled into the beam path. Using the invention described, the change wheel could be aligned with the optical beam path. The invention allows the change gear, for example, to be aligned without, for example, a technician having to be equipped with an expensive AKF. If a PMT area detector, for example an Airyscan detector, is already present in the beam path and this is not to be removed first to simplify the adjustment process, the existing detector can be used for the alignment. Adjustment using the AKF, on the other hand, would require the detector to be removed.
Die Verwendung einer Justagephasenmaske, welche bei Lichttransmission beispielsweise vier Lichtpunkte erzeugt, stellt eine gut geeignete Möglichkeit dar, um instrumentelle Baugruppen gegenüber einem optischen Strahlengang (z.B. Justagelichtstrahl) in einem Instrument gegenüber anderen Baugruppen auszurichten. Die Erfindung kann generell im Gerätebau zur Anwendung kommen.The use of an adjustment phase mask, which generates four points of light with light transmission, for example, is a well-suited option for aligning instrumental assemblies with respect to an optical beam path (e.g. adjustment light beam) in an instrument with respect to other assemblies. The invention can generally be used in device construction.
Die Funktion der Phasenelemente muss nicht notwendigerweise durch rein statisch optische Baugruppen erzeugt werden, sondern kann auch durch den Einsatz von dynamischen elektrooptischen oder magnetooptischen Effekten beziehungsweise Verfahren realisiert werden. Möglich ist die Verwendung digital steuerbarer, d.h. zeitlich veränderlicher Phasenmasken wie z. B. räumliche Lichtmodulatoren (spatial light modulators; SLM) oder ähnliche Technologien.The function of the phase elements does not necessarily have to be generated by purely static optical assemblies, but can also be implemented through the use of dynamic electro-optical or magneto-optical effects or processes. It is possible to use digitally controllable, i.e. time-varying phase masks such as B. spatial light modulators (SLM) or similar technologies.
Die Erfindung ist vorteilhaft für Instrumente mit schwer zugänglichen Baugruppen und/oder zusätzlich im Strahlengang vorhandenem Flächendetektor (z. B. Kamera; in minimalistischer Ausstattung ein 2-Pixel-Detektor für eine Justage in einer räumlichen Dimension oder 4-Pixel-Detektor für eine Justage in zwei räumlichen Dimensionen) verwendbar.The invention is advantageous for instruments with assemblies that are difficult to access and / or area detectors additionally present in the beam path (e.g. camera; with minimalist equipment a 2-pixel detector for an adjustment in one spatial dimension or a 4-pixel detector for an adjustment in two spatial dimensions).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
-
1a eine schematische Darstellung des Vorgangs des Ausrichtens eines Phasenelements in einem Strahlengang mit unterschiedlichen Intensitäten der erzeugten Teilstrahlen; -
1b eine schematische Darstellung des Vorgangs des Ausrichtens eines Phasenelements in einem Strahlengang mit gleichen Intensitäten der erzeugten Teilstrahlen nach Korrektur; -
2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Phasenelements mit vier Quadranten; -
3 eine schematische Darstellung eines Flächendetektors mit einer Mehrzahl von Detektorelementen sowie eine beispielhafte Anordnung von vier durch Teilstrahlen beleuchtete Bereiche (Spots); -
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
5 eine schematische Darstellung einer Quadrantenphasenmaske mit zusätzlichen Justierelementen und einem Ausschnitt eines Bauteils; -
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Bauteils mit einem Phasenelement; -
7 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Phasenelements in Form einer refraktiven Phasenmaske;
-
1a a schematic representation of the process of aligning a phase element in a beam path with different intensities of the partial beams generated; -
1b a schematic representation of the process of aligning a phase element in a beam path with the same intensities of the partial beams generated after correction; -
2 a schematic representation of a first embodiment of a phase element with four quadrants; -
3 a schematic representation of an area detector with a plurality of detector elements and an exemplary arrangement of four areas illuminated by partial beams (spots); -
4th a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention; -
5 a schematic representation of a quadrant phase mask with additional adjustment elements and a section of a component; -
6th a schematic representation of a second embodiment of a component with a phase element; -
7th a schematic representation of a fourth embodiment of a phase element in the form of a refractive phase mask;
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche technische Einheiten oder Elemente bezeichnen, soweit dies nicht ausdrücklich anders angegeben ist.The invention is explained on the basis of exemplary embodiments, the same reference symbols denoting the same technical units or elements, unless expressly stated otherwise.
In den bereits oben erläuterten
Das Phasenelement
Die vier Spots
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
Infolge der optischen Wirkung des Phasenelements
In einer möglichen Ausführung der Vorrichtung
Das Phasenelement
Ein Bauteil
In der Praxis ist die Toleranzanforderung an die Winkelausrichtung der Quadrantenphasenmaske meist relativ gering, wohingegen höhere Anforderungen an die laterale Positionierung zu stellen sind. Die laterale Positionierung wird durch eine Positioniermechanik und -elektronik, z. B. elektrische Schrittmotoren, Piezoelemente, präzise Positionierschrauben, optisch bestückte Radhalterungen, lineare Schieber oder Führungen etc., im Zusammenwirken der Reproduzierbarkeit ihrer Anfahrgenauigkeit und deren Fertigungs- und Genauigkeitstoleranzen erreicht. Dies ist in der Praxis auch schon mit moderatem Aufwand, d.h. relativ kostengünstigen mechanischen und elektrischen Komponenten möglich.In practice, the tolerance requirement for the angular alignment of the quadrant phase mask is usually relatively low, whereas higher requirements are placed on the lateral positioning. The lateral positioning is carried out by positioning mechanics and electronics, e.g. B. electric stepper motors, piezo elements, precise positioning screws, optically equipped wheel mounts, linear slides or guides, etc., achieved in the interaction of the reproducibility of their approach accuracy and their manufacturing and accuracy tolerances. In practice, this is possible with moderate effort, i.e. relatively inexpensive mechanical and electrical components.
Um ein Phasenelement
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- StrahlengangBeam path
- 33
- (optisches) Element(optical) element
- 44th
- PhasenelementPhase element
- 4.1 bis 4.n4.1 to 4.n
-
Teilflächen des Phasenelements 4Partial areas of the
phase element 4 - 5.1 bis 5.n5.1 to 5.n
- TeilstrahlPartial beam
- 66th
- Optikoptics
- 77th
- Detektordetector
- 7.1 bis 7.n7.1 to 7.n
- DetektorelementDetector element
- 88th
- DetektorebeneDetector level
- 99
- SpotSpot
- 1010
- Auswerte- und SteuerungseinheitEvaluation and control unit
- 1111
- AntriebseinheitDrive unit
- 1212th
- LichtquelleLight source
- 1313th
- Faserfiber
- 1414th
- BauteilComponent
- 1515th
- TrägerschichtCarrier layer
- 1616
- strukturierter Bereichstructured area
- 1717th
- ReferenzmarkeReference mark
- 1818th
- Loch/Durchbruch/AussparungHole / breakthrough / recess
- 1919th
- Anzeigeadvertisement
- oAoA
- optische Achseoptical axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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Huff, J. 2015: The Airyscan detector from ZEISS: confocal imaging with improved signal-to-noise ratio and super-resolution; Nature Methods 12, i-ii; https://doi.org/10.1038/nmeth.f.388 [0004]Huff, J. 2015: The Airyscan detector from ZEISS: confocal imaging with improved signal-to-noise ratio and super-resolution;
Nature Methods 12, i-ii; https://doi.org/10.1038/nmeth.f.388 [0004]
Claims (13)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210278650A1 (en) * | 2020-03-05 | 2021-09-09 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Image Capturing Method and Apparatus |
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HUFF, J.: The Airyscan detector from ZEISS: confocal imaging with improved signal-to-noise ratio and super-resolution. In: Nature methods, Bd. 12, 2015, S. i-ii. - ISSN 1548-7105 (E); 1548-7091 (P). DOI: 10.1038/nmeth.f.388. URL: https://www.nature.com/articles/nmeth.f.388.pdf [abgerufen am 2020-03-02]. |
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