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DE102020201808A1 - Method and device for aligning an optical element in a beam path - Google Patents

Method and device for aligning an optical element in a beam path Download PDF

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Publication number
DE102020201808A1
DE102020201808A1 DE102020201808.1A DE102020201808A DE102020201808A1 DE 102020201808 A1 DE102020201808 A1 DE 102020201808A1 DE 102020201808 A DE102020201808 A DE 102020201808A DE 102020201808 A1 DE102020201808 A1 DE 102020201808A1
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DE
Germany
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detector
beam path
phase
partial beams
phase element
Prior art date
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Pending
Application number
DE102020201808.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Oliver Holub
Dieter Huhse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microscopy GmbH filed Critical Carl Zeiss Microscopy GmbH
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    • G02B21/002Scanning microscopes
    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
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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 ( 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 ).Modern laser scanning microscopes (LSM) such as the LSMs 800/900 and LSMs 880/980 (Carl Zeiss Microscopy GmbH) have detectors with 32 channels (= 32 detector elements) that enable fast confocal parallel scanning of the so-called point spread function (PSF) of the microscope during the microscopic image scanning. Such detectors are also referred to below as Airyscan detectors. The Airyscan detector is arranged as a detector plane in an image plane conjugated to the point of origin of the detection radiation or to the focus. The detection radiation impinging on the detector, including extra-focal components, is recorded with the large number of detector elements, which enables the recording and evaluation of the respective local distribution of the intensities of the detected detection radiation ( 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 ).

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 1a und 1b dargestellt. Entlang eines Strahlengangs 2 breitet sich ein Strahl (Lichtstrahl) einer Strahlung, insbesondere Licht im sichtbaren und/oder infraroten Wellenlängenbereich parallel aus und trifft auf ein zu justierendes optisches Element 3 und im weiteren Verlauf auf ein Phasenelement 4. Das Phasenelement 4 ist mit dem zu justierenden optischen Element 3 beispielsweise mechanisch verbunden. Das Phasenelement 4 ist hier als eine Phasenmaske ausgebildet. In weiteren Ausführungen kann das Phasenelement 4 zum Beispiel in Form eines Gitters ausgebildet sein. Durch Wirkung des Phasenelements 4 wird die Strahlung in beispielsweise zwei Teilstrahlen 5.1 und 5.2 aufgeteilt und mittels einer nachgeordneten Optik 6 auf unterschiedliche Detektorelemente 7, 7.2, 7.3, 7.4, ... bis 7.n eines Detektors 7 gelenkt. Die erfassten Messwerte der jeweiligen Teilstrahlen 5.1 beziehungsweise 5.2 werden mittels einer entsprechend konfigurierten Steuerungseinheit 10 miteinander verglichen. In der in 1a gezeigten Situation steht das zu justierende Element 3 nicht mittig im Strahlengang 2 trifft die Strahlung versetzt auf das Phasenelement 4. Die Teilstrahlen 5.1 und 5.2 bewirken unterschiedliche Messwerte. So wird beispielsweise durch den ersten Teilstrahl 5.1 ein Anteil von 70% und durch Teilstrahl 5.2 ein Anteil von 30% der insgesamt in einer Detektionsebene 8 erfassten Intensität transportiert. Um die auf den beleuchteten Detektorelementen 7.1 bis 7.n eingestrahlten Intensitäten einander anzugleichen, muss das Phasenelement 4 beispielsweise in Richtung der höheren Intensität verschoben werden. Sind die Geometrie des Strahles und die Ausgestaltung des Phasenelements 4 sowie deren resultierende optische Wirkung bekannt, kann anhand der relativen Intensitäten ermittelt werden, um welche Strecke und in welcher Richtung das Phasenelement 4 verschoben werden muss, um die Intensitäten anzugleichen. Ein Verschieben erfolgt entweder manuell oder durch Ausführen von in der Auswerte- und Steuerungseinheit 10 generierten Steuerbefehlen mittels einer Antriebseinheit 11. Die für eine Korrektur erforderlichen Richtungen und Distanzen der Bewegung des Phasenelements 4 können auf einer Anzeige 19 dargestellt werden um zum Beispiel eine manuelle Korrektur zu erlauben.The principle of the invention is exemplified in 1a and 1b shown. Along a beam path 2 If a beam (light beam) of radiation, in particular light in the visible and / or infrared wavelength range, propagates in parallel and strikes an optical element to be adjusted 3 and then on to a phase element 4th . The phase element 4th is with the optical element to be adjusted 3 for example mechanically connected. The phase element 4th is designed here as a phase mask. In further versions, the phase element 4th for example in the form of a grid. By the action of the phase element 4th the radiation is divided into, for example, two partial beams 5.1 and 5.2 and by means of a downstream optical system 6th on different detector elements 7, 7.2 , 7.3 , 7.4, ... to 7.n of a detector 7th steered. The measured values of the respective partial beams 5.1 and 5.2 are recorded by means of a correspondingly configured control unit 10 compared to each other. In the in 1a the situation shown is the element to be adjusted 3 not in the middle of the beam path 2 the radiation hits the phase element offset 4th . The partial beams 5.1 and 5.2 cause different measured values. For example, the first partial beam 5.1 results in a proportion of 70% and the partial beam 5.2 a proportion of 30% of the total in a detection plane 8th detected intensity transported. To those on the illuminated detector elements 7.1 to 7.n The phase element must adjust the irradiated intensities to one another 4th for example, be shifted in the direction of the higher intensity. Are the geometry of the beam and the design of the phase element 4th as well as their resulting optical effect are known, the relative intensities can be used to determine the distance by which and in which direction the phase element 4th must be moved to match the intensities. Shifting takes place either manually or by executing in the evaluation and control unit 10 generated control commands by means of a drive unit 11 . The directions and distances of the movement of the phase element required for a correction 4th can be on an ad 19th can be displayed to allow manual correction, for example.

Wird beispielsweise die in 1a gezeigte Situation erkannt, können anhand der erfassten Messwerte, in diesem Falle anhand der erfassten Intensitäten, Steuerbefehle generiert werden, deren Ausführung in einer Lageveränderung der Strahlung resultiert. Dabei wird die Lageveränderung so bewirkt, dass eine gleichmäßige Beleuchtung des Phasenelements 4 erfolgt, was sich in gleichen Intensitäten von jeweils 50% der Teilstrahlen 5.1 und 5.2 niederschlägt (1b).For example, if the in 1a If the situation shown is recognized, control commands can be generated on the basis of the recorded measured values, in this case on the basis of the recorded intensities, the execution of which results in a change in the position of the radiation. The change in position is brought about in such a way that uniform illumination of the phase element 4th takes place, which is reflected in the same intensities of 50% each of the partial beams 5.1 and 5.2 ( 1b) .

In der 1b ist ein mittig auf das Phasenelement 4 auftreffendes Strahlenbündel der Strahlung gezeigt. Dieses wird in Teilstrahlen 5.1, 5.2 gleicher Intensität aufgeteilt und in der Detektionsebene 8 mittels der Detektorelemente 7.1 bis 7.n erfasst.In the 1b is a centered on the phase element 4th incident beam of radiation shown. This is divided into partial beams 5.1, 5.2 of the same intensity and in the detection plane 8th by means of the detector elements 7.1 to 7.n recorded.

In den 1a und 1b ist zu erkennen, dass die Fläche des Phasenelements 4 größer als der Querschnitt des Strahlenbündels sein sollte. Falls das Phasenelement 4 kleiner als der Strahlquerschnitt ist, würden bei nahezu jeder Positionierung des Phasenelements 4 jeweils 50% der Strahlung in jeden der beiden Spots 9 (siehe 4) abgelenkt werden. Erst wenn bei einer starken Verschiebung des Phasenelements 4 diese teilweise aus dem Strahlweg bewegt wird, würde eine anteilig unterschiedliche Aufteilung der Intensitäten auftreten. Eine sensitive Justierung von optischen Elementen 3 zueinander wäre kaum oder gar nicht möglich.In the 1a and 1b it can be seen that the area of the phase element 4th should be larger than the cross-section of the beam. If the phase element 4th is smaller than the beam cross-section, would with almost every positioning of the phase element 4th 50% of the radiation in each of the two spots 9 (please refer 4th ) to get distracted. Only if there is a strong shift in the phase element 4th If this is partially moved out of the beam path, a proportionally different division of the intensities would occur. A sensitive adjustment of optical elements 3 each other would hardly or not be possible at all.

Beträgt zum Beispiel der Strahldurchmesser 4,2 mm, dann könnte die Phasenmaske 4 z. B. 5 mm Durchmesser aufweisen (schematisch in 2 dargestellt). Bei einem beispielhaften Strahldurchmesser von 4,2 mm ergibt eine Verschiebung um 42 µm (1%) eine Veränderung der Intensitäten in den Spots 9 von jeweils 2% (die angenommene Kantenlänge der Quadranten entlang des Durchmessers beträgt 2,1 mm, daher entsprechen 42 µm 2%). Die relative Änderung der Intensitäten beider Spots 9 zueinander beträgt um 4%. Eine Detektionsgenauigkeit von beispielsweise 40 µm ist daher mittels der erfindungsgemäßen Lösung realisierbar.For example, if the beam diameter is 4.2 mm, then the phase mask could 4th z. B. 5 mm in diameter (schematically in 2 shown). With an exemplary beam diameter of 4.2 mm, a shift of 42 µm (1%) results in a change in the intensities in the spots 9 of 2% each (the assumed edge length the quadrant along the diameter is 2.1 mm, therefore 42 µm corresponds to 2%). The relative change in the intensities of both spots 9 to each other is around 4%. A detection accuracy of, for example, 40 μm can therefore be achieved by means of the solution according to the invention.

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;
The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments and illustrations. Show it:
  • 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 1a und 1b ist das Prinzip der Erfindung dargestellt.In the already explained above 1a and 1b the principle of the invention is shown.

Das Phasenelement 4 kann in mehrere Teilflächen 4 bis 4.4 untergliedert sein (2). Beispielsweise kann das Phasenelement, zum Beispiel eine Phasenmaske, in vier gleichgroße Quadranten unterteilt sein, die das Licht jeweils vom Mittelpunkt des Phasenelements weg ablenken, wie dies in 2 durch Pfeile symbolisiert ist. Die Pfeile stellen schematisch die Teilstrahlen 5.1 bis 5.4 dar.The phase element 4th can be divided into several partial areas 4th until 4.4 be subdivided ( 2 ). For example, the phase element, for example a phase mask, can be divided into four quadrants of equal size, each of which deflects the light away from the center of the phase element, as shown in FIG 2 is symbolized by arrows. The arrows represent the partial beams schematically 5.1 to 5.4 represent.

3 zeigt schematisch einen Flächendetektor in Form eines sogenannten Airyscan-Detektors mit einer Mehrzahl von Detektorelementen 7.1 bis 7.n (der Übersichtlichkeit halber mit 1 bis 32 bezeichnet) sowie eine beispielhafte Anordnung von vier durch Teilstrahlen 5.1 bis 5.4 (nicht gezeigt) beleuchtete Bereiche 9 (Spots 9). 3 shows schematically an area detector in the form of a so-called Airyscan detector with a plurality of detector elements 7.1 to 7.n (for the sake of clarity denoted by 1 to 32) and an exemplary arrangement of four by partial beams 5.1 to 5.4 (not shown) illuminated areas 9 (Spots 9 ).

Die vier Spots 9 sollen auf dem Flächendetektor (z. B. Kamera; hier: Airyscan-Detektor) detektiert werden. Dazu können mehrere Detektorelemente 7.n miteinander verbunden (binning) werden. Das heißt, die erfassten Messwerte der betreffenden Detektorelemente 7.n werden zusammengefasst und gemeinsam ausgewertet. Das sogenannte binning kann mittels einer geeigneten Software erfolgen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils die Detektorelemente 7, 7.17, 7.18 und 7.30; 7.2, 7.8, 7.9 und 7.21; 7.3, 7.11, 7.12 und 7.24 sowie 7.5, 7.14, 7.15 und 7.27 miteinander verbunden (gebinnt).The four spots 9 should be detected on the area detector (e.g. camera; here: Airyscan detector). Several detector elements can be used for this purpose 7th .n are connected to each other (binning). That is to say, the recorded measured values of the relevant detector elements 7th .n are summarized and evaluated together. The so-called binning can be done using suitable software. In the exemplary embodiment shown, the detector elements are in each case 7th , 7.17 , 7.18 and 7.30 ; 7.2 , 7.8 , 7.9 and 7.21 ; 7.3 , 7.11 , 7.12 and 7.24 as 7.5 , 7.14 , 7.15 and 7.27 connected to each other (binned).

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist in 4 vereinfacht gezeigt. Von einer Lichtquelle 12 wird Strahlung, insbesondere Laserlicht, bereitgestellt und über eine lichtleitende Faser 13 in den Strahlengang 2 eingekoppelt. Die von dem Ende der Faser 13 divergierende Strahlung wird mittels einer Optik 6 kollimiert und mittels einer weiteren Optik 6 auf den Detektor 7 in der Detektorebene 8 fokussiert (Volllinie). Zum Zwecke der Justierung ist das Phasenelement 4 in den Strahlengang 2, eingebracht.A first embodiment of a device according to the invention 1 is in 4th shown simplified. From a light source 12th radiation, in particular laser light, is provided and via a light-conducting fiber 13th in the beam path 2 coupled. The one from the end of the fiber 13th diverging radiation is generated by means of optics 6th collimated and by means of another optic 6th on the detector 7th in the detector plane 8th focused (solid line). For the purpose of adjustment, the phase element is 4th in the beam path 2 , brought in.

Infolge der optischen Wirkung des Phasenelements 4 wird das auf dem Phasenelement 4 auftreffende Strahlenbündel in vier Teilstrahlen 5.1 bis 5.4 (beispielhaft sind lediglich Abschnitte zweier Teilstrahlen mit unterbrochenen Volllinien gezeigt) aufgeteilt, wie dies im Prinzip für zwei Teilstrahlen in 1a und 1b gezeigt ist. In der Detektorebene 8 werden die vier Teilstrahlen 5.1 bis 5.4 in vier Spots 9 abgebildet (siehe Bildeinschub), Messwerte der jeweiligen Teilstrahlen 5.1 bis 5.4 erfasst und diese an die Auswerte- und Steuerungseinheit 10 geleitet. In der Auswerte- und Steuerungseinheit 10 werden die erfassten Ist-Werte der Messwerte mit Soll-Werten verglichen. Aus dem Ergebnis der Vergleiche werden bei Bedarf erforderliche Korrekturen abgeleitet und die zur Ausführung der Korrekturen erforderlichen Steuerbefehle generiert. Mit den Steuerbefehlen wird die Antriebseinheit 11 angesteuert und die Ausrichtung und Lage des Bauteils 14 mit dem Phasenelement 4 relativ zum Strahlengang 2 verändert. Die ermittelten Korrekturwerte könne zusätzlich oder alternativ auf einer Anzeige 19, beispielsweise einem Monitor, dargestellt werden, um zum Beispiel eine manuelle Korrektur des Bauteils 14 zu ermöglichen.As a result of the optical effect of the phase element 4th becomes that on the phase element 4th incident bundle of rays in four partial rays 5.1 to 5.4 (only sections of two partial beams with broken solid lines are shown as an example), as is the case in principle for two partial beams in FIG 1a and 1b is shown. In the detector plane 8th become the four partial beams 5.1 to 5.4 in four spots 9 shown (see picture insert), measured values of the respective partial beams 5.1 to 5.4 and this to the evaluation and control unit 10 directed. In the evaluation and control unit 10 the recorded actual values of the measured values are compared with target values. If necessary, necessary corrections are derived from the result of the comparisons and the control commands required to carry out the corrections are generated. With the control commands, the drive unit 11 controlled and the alignment and position of the component 14th with the phase element 4th relative to the beam path 2 changes. The correction values determined can additionally or alternatively be shown on a display 19th , for example on a monitor, for example to manually correct the component 14th to enable.

In einer möglichen Ausführung der Vorrichtung 1 ist ein Phasenelement 4 in Form einer Phasenmaske mit einem Durchmesser von 5 mm verwendet, die auf einen Strahlengang 2 mit einem Durchmesser von 4,2 mm justiert wurde. Das Phasenelement 4 erzeugt im Fokus einer Optik 6 mit einer Brennweite f2 von 100 mm vier Spots 9. Jeder Spot 9 besitzt einen Durchmesser von circa 30 µm. Die Spots 9 sind in der Detektorebene 8 etwa 100 µm voneinander entfernt. Wird das Phasenelement 4 beispielsweise um eine Strecke von 50 µm lateral zur optischen Achse 3 verschoben, resultiert dies in einer Änderung der Intensität eines Spots 9 in der Detektorebene 8 in Höhe von 3,5%. Das entspricht einer relativen Intensitätsänderung von 7% zwischen zwei Spots 9. Damit ist ein Ausrichten des Phasenelements 4 mit einer Genauigkeit von 30 bis 50 µm problemlos möglich.In one possible embodiment of the device 1 is a phase element 4th in the form of a phase mask with a diameter of 5 mm, which is used on a beam path 2 was adjusted with a diameter of 4.2 mm. The phase element 4th generated in the focus of an optic 6th four spots with a focal length f2 of 100 mm 9 . Every spot 9 has a diameter of approx. 30 µm. The spots 9 are in the detector plane 8th about 100 µm apart. Becomes the phase element 4th for example by a distance of 50 µm laterally to the optical axis 3 shifted, this results in a change in the intensity of a spot 9 in the detector plane 8th in the amount of 3.5%. This corresponds to a relative change in intensity of 7% between two spots 9 . This is an alignment of the phase element 4th with an accuracy of 30 to 50 µm possible without any problems.

Das Phasenelement 4 ist üblicherweise auf einer Trägerschicht 15, beispielsweise auf einer Glasplatte, ausgebildet, indem beispielsweise in die Trägerschicht 15 ein strukturierter Bereich 16 eingeätzt ist. Um das meist runde Phasenelement 4 möglichst einfach und genau auf einem Bauteil 14 wie zum Beispiel einem Trägerrad auszurichten, können Referenzmarken 17 auf dem Bauteil 14 und/oder auf der Trägerschicht 15 vorhanden sein, die zur lagerichtigen Montage des Phasenelements 4 alias der Justagephasenmaske dienen. Das in 5 dargestellte Phasenelement 4 weist auf der Trägerschicht 15 einen strukturierten Bereich 16 und zwei Justierelemente als Referenzmarken 17 auf. Zusammen mit hochgenau gefertigten Löchern 18 in dem Bauteil 14 kann das Phasenelement 4, in diesem Fall eine Quadranten-Phasenmaske, sehr genau in Ort und Winkel ausgerichtet und auf dem Bauteil 14 angebracht werden, indem der strukturierte Bereich 16 und die Referenzmarken 17 der Trägerschicht 15 mit entsprechenden Löchern 18 des Bauteils 14 in Deckung gebracht werden.The phase element 4th is usually on a carrier layer 15th , for example on a glass plate, formed by, for example, in the carrier layer 15th a structured area 16 is etched. Around the mostly round phase element 4th as easily and precisely as possible on a component 14th such as aligning a carrier wheel, reference marks can be used 17th on the component 14th and / or on the carrier layer 15th be available for the correct mounting of the phase element 4th also known as the adjustment phase mask. This in 5 phase element shown 4th points to the backing layer 15th a structured area 16 and two adjustment elements as reference marks 17th on. Together with high-precision holes 18th in the component 14th can the phase element 4th , in this case a quadrant phase mask, very precisely aligned in place and angle and on the component 14th appropriate be by the structured area 16 and the reference marks 17th the carrier layer 15th with corresponding holes 18th of the component 14th be brought under cover.

Ein Bauteil 14 in Form eines Rades mit Präzisionsbohrungen und einem aufgebrachten Phasenelement 4 ist in 6 gezeigt. Das Phasenelement 4 weist vier strukturierte Bereiche 16 auf.One component 14th in the form of a wheel with precision bores and an applied phase element 4th is in 6th shown. The phase element 4th has four structured areas 16 on.

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 4, beispielsweise eine Quadrantenphasenmaske, zu erzeugen, können zum Beispiel planparallele Platten verkippt und die dadurch bedingte refraktive Wirkung der Platten genutzt werden. Alternativ können vier Prismen zur Erzeugung der Teilstrahlen 5.1 bis 5.4 vorhanden sein. Alternativ kann ein refraktives Design verwendet werden, wofür in 7 ein schematisches Beispiel angegeben ist. Das kontinuierliche Profil weist einen Tiefenhub von 3,6 µm auf und bewirkt bei Verwendung in dem in 4 gezeigten Fall eine schon oben beschriebene Abbildung von vier Spots 9 in der Detektorebene 8. Gegenüber einem diffraktiven Design (siehe unten) sind die Ätztiefen etwa 4-mal größer, was längere Fertigungszeiten bedingt und eine erhöhte Fehleranfälligkeit mit sich bringt.To a phase element 4th To generate a quadrant phase mask, for example, plane-parallel plates can be tilted and the resulting refractive effect of the plates can be used. Alternatively, four prisms can be used to generate the partial beams 5.1 to 5.4 to be available. Alternatively, a refractive design can be used, for which in 7th a schematic example is given. The continuous profile has a depth excursion of 3.6 µm and, when used in the in 4th The case shown is an illustration of four spots already described above 9 in the detector plane 8th . Compared to a diffractive design (see below), the etching depths are about 4 times greater, which means longer production times and an increased susceptibility to errors.

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

  • 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)

Verfahren zum Ausrichten mindestens eines Elements (3), bei dem eine Strahlung entlang eines Strahlengangs (2) geführt und mittels eines Detektors (7) erfasst wird, der eine Mehrzahl von Detektorelementen (7.n) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - zum Zwecke der Ausrichtung des mindestens einen Elements (3) 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; - der wenigstens eine erfasste Parameter der erfassten Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) jeweils als Ist-Wert erfasst und mit einem Soll-Wert verglichen wird beziehungsweise verglichen werden; - anhand des Vergleichs der Ist- und der Soll-Werte miteinander aktuelle Lageparameter des Elements (3) des Strahlengangs (2) ermittelt werden; und - Steuerbefehle generiert werden, mittels denen der aktuelle Lageparameter des Elements (3) zur Angleichung der Ist-Werte an die Soll-Werte beeinflusst wird und/oder erforderliche Angleichungen der Ist-Werte an die Soll-Werte auf einer Anzeige (19) für eine optionale manuelle Angleichung dargestellt werden.Method for aligning at least one element (3), 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), characterized in that - for the purpose the alignment of the at least one element (3), 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 detected; - The at least one recorded parameter of the recorded partial beams (5.1 to 5.4) is recorded as an actual value and compared with a target value or compared; - Current position parameters of the element (3) of the beam path (2) are determined on the basis of the comparison of the actual and target values with one another; and - control commands are generated by means of which the current position parameter of the element (3) is influenced to align the actual values with the target values and / or necessary alignments of the actual values with the target values on a display (19) for an optional manual adjustment can be displayed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) zur Erfassung von Detektionsstrahlung verwendet wird, wenn kein Ausrichten des Elements (3) erfolgt.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the detector (7) is used to detect detection radiation when the element (3) is not being aligned. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Angleichung der Ist-Werte an die Soll-Werte ein an das Phasenelement 4 gekoppeltes Element (3) relativ zum Strahlengang (2) ausgerichtet wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that an element (3) coupled to the phase element 4 is aligned relative to the beam path (2) by means of the adjustment of the actual values to the target values. Vorrichtung (1) mit mindestens einem Element (3), wobei eine Strahlung entlang eines Strahlengangs (2) geführt und mittels eines Detektors (7) erfasst wird, der eine Mehrzahl von Detektorelementen (7.n) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - zum Zwecke der Ausrichtung des mindestens einen Elements (3) ein mit dem auszurichtenden Element (3) verbundenes Phasenelement (4) in den Strahlengang (2) eingebracht, insbesondere eingeschwenkt oder eingeschoben, werden kann, - die Strahlung durch Wirkung 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; - eine Steuereinheit (10) vorhanden ist, die so konfiguriert ist, dass ◯ der wenigstens eine erfasste Parameter der erfassten Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) jeweils als Ist-Wert erfasst und mit einem Soll-Wert verglichen werden; ◯ anhand des Vergleichs der Ist- und der Soll-Werte miteinander aktuelle Lageparameter des Elements (3) des Strahlengangs (2) ermittelt werden; und ◯ Steuerbefehle generiert werden, mittels denen der aktuelle Lageparameter des Elements (3) zur Angleichung der Ist-Werte an die Soll-Werte beeinflusst wird und/oder erforderliche Angleichungen der Ist-Werte an die Soll-Werte für eine optionale manuelle Angleichung auf einer Anzeige (19) dargestellt werden.Device (1) with at least one element (3), wherein a 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), characterized in that - for For the purpose of aligning the at least one element (3), a phase element (4) connected to the element (3) to be aligned can be introduced into the beam path (2), in particular pivoted or pushed in, - the radiation through the action of the phase element (4) in at least two partial beams (5.1 to 5.4) are split 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 detected; - A control unit (10) is present which is configured in such a way that ◯ the at least one recorded parameter of the recorded partial beams (5.1 to 5.4) is recorded as an actual value and compared with a target value; ◯ current position parameters of the element (3) of the beam path (2) can be determined based on the comparison of the actual and target values with one another; and ◯ control commands are generated by means of which the current position parameter of the element (3) is influenced to align the actual values with the target values and / or necessary alignments of the actual values with the target values for an optional manual alignment on a Display (19) are shown. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (4) als ein diffraktives oder refraktives Element ausgebildet ist.Device (1) according to Claim 4 , characterized in that the phase element (4) is designed as a diffractive or refractive element. Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (4) als ein Phasengitter oder eine Phasenmaske ausgebildet ist.Device (1) according to Claim 5 , characterized in that the phase element (4) is designed as a phase grating or a phase mask. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenelement (4) ansteuerbar ist.Device (1) according to one of the Claims 4 until 6th , characterized in that the phase element (4) can be controlled. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (3) optional in den Strahlengang (2) eingebracht und entfernt werden kann.Device (1) according to one of the Claims 4 until 7th , characterized in that the element (3) can optionally be introduced into the beam path (2) and removed. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (7) im Strahlengang (2) verbleibt und zur Erfassung von Detektionsstrahlung eingerichtet ist.Device (1) according to one of the Claims 4 until 8th , characterized in that the detector (7) remains in the beam path (2) and is set up to detect detection radiation. Phasenelement (4) umfassend wenigstens einen strukturierten Bereich (16), durch dessen optische Wirkung ein auftreffender Strahl einer Strahlung in mindestens zwei, insbesondere in vier, sich einander nicht überlagernde Teilstrahlen (5.1 bis 5.4) aufgeteilt wird.Phase element (4) comprising at least one structured area (16), the optical effect of which divides an impinging beam of radiation into at least two, in particular four, partial beams (5.1 to 5.4) that do not overlap one another. Phasenelement (4) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Trägerschicht (15), die den wenigstens einen strukturieren Bereich (16) und mindestens eine Referenzmarke (17) aufweist, die zur lagerichtigen Montage des Phasenelements (4) dient.Phase element (4) after Claim 10 , characterized by a carrier layer (15) which has the at least one structured area (16) and at least one reference mark (17) which is used for the correct mounting of the phase element (4). Phasenelement (4) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmarke (17) eine Aussparung in der Trägerschicht (15) ist.Phase element (4) after Claim 11 , characterized in that the reference mark (17) is a recess in the carrier layer (15). Bauteil (14) in Form eines Rades, einer Kurvenscheibe oder eines Schiebers mit einem Phasenelement (4) nach einem der Ansprüche 10 bis 12.Component (14) in the form of a wheel, a cam or a slide with a phase element (4) according to one of the Claims 10 until 12th .
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936253A (en) 1996-12-05 1999-08-10 Nikon Corporation Position detector and microlithography apparatus comprising same
US20150077842A1 (en) 2013-09-19 2015-03-19 Carl Zeiss Microscopy Gmbh High-resolution scanning microscopy

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936253A (en) 1996-12-05 1999-08-10 Nikon Corporation Position detector and microlithography apparatus comprising same
US20150077842A1 (en) 2013-09-19 2015-03-19 Carl Zeiss Microscopy Gmbh High-resolution scanning microscopy

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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
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].

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
US11714269B2 (en) * 2020-03-05 2023-08-01 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Apparatus and method for capturing an image

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