CN106575030A - 具有分束器组件的显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及显微镜(10)，包括一个或多个光源(30)，该光源单独或共同产生包括在多个波长范围内的光线的照明光路；具有二向色镜面(54)的二向色分束器组件(52)，二向色镜面在包括多个波长范围的光路部分(72)中布置在物镜透镜(12)和镜筒透镜(24)之间，二向色镜面通过反射在反射光路(66)方向上产生反射部分光束(32)且通过透射在透射光路(70)方向上产生透射部分光束(68)，透射部分光束的透射波长范围与反射部分光束(32)的反射波长范围不同，二向色分束器组件(52)以预定偏转角度(α)改变反射部分光束(32)相对于照明光路的传播方向。二向色镜面(54)以22.5°±7.5°角度布置在光路部分(72)中，二向色分束器组件(52)具有布置在反射光路(66)中的至少一个另外反光镜(56)，通过在二向色镜面(54)和至少一个另外发光镜(56)上的所有反射的总和，以预定偏转角度(α)改变反射部分光束(32)的传播方向。

Description

具有分束器组件的显微镜

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的显微镜。

背景技术

在现代显微镜如倒置的研究显微镜中，用于照明、操作和测量目的的附加光源被耦合接入成像光路中，优选被耦合接入位于物镜透镜和镜筒透镜之间的无限光路中，用于各种截然不同的实验。另外，在这种显微镜中通常设置有用于耦合输出来自样本的成像光线的特定光谱分量的装置。通常，激光器被用作光源，与真正的检测光线相比，其激光具有更长或更短的波长。光的耦合输入和耦合输出通常以直角布置形式实现，在直角布置中，一方面是耦合输入光或耦合输出光且另一方面是检测光所传播的光路的光轴彼此成90°角度布置。

在US7071451B2中描述了相应设计的显微镜的例子。该显微镜包括具有激光光源的自聚焦模块，该激光光源发射第一光束，以下称之为反射部分光束，其波长在波长光谱的红外区域内。该反射部分光束照射在设有二向色镜面的反光镜上。所述镜面被设计成将第一反射部分光束反射到待研究的样本上。反射部分光束随着在二向色镜面上的反射以90°的偏转角度改变其传播方向。自聚焦模块基于在样本上反射的反射部分光束获得信号，基于该信号使显微镜的成像光学件聚焦。为此，来自样本的反射部分光束在二向色镜面处被再次反射以引导所述光束进入自聚焦模块。

虽然该已知的显微镜所用的二向色镜面因此反射红外光，但它透过在可见光区域内的检测光。因此，除了反射部分光束外，还提供呈由样本发出的检测光形式的第二光束，第二光束透过二向色镜面。第二光束在下文中被称为透射部分光束。因此，二向色镜面合并了反射部分光束和透射部分光束所传播的两个光路。因此，这两个光路具有位于二向色镜面和样本之间的公共光路部分。在这种情况下，二向色镜面被布置成使其表面法线相对于该公共光路部分的光轴成45°角度布置。

现有技术所提供的二向色镜面的这种布置是易于实现的，其在下文中可被简称为45°布置。但也随之而来一系列缺点。例如，45°布置不利地影响到二向色镜面的偏振中性，即保持入射到镜面的光线的反射部分和透射部分的偏振状态保持不变的性能。事实上，二向色镜面的表面法线相对于光线入射方向倾斜得越明显，该偏振中性就越难实现。因此，随着倾斜角度增大，偏振光学应用的不利影响增强。45°布置对这类应用有不利影响的一个例子是微分干涉差方法或简称为DIC方法，在该方法中将待观察物体的光程长度差转化为图像亮度差以由此使透明相位物体变得可见。

此外，在45°布置的二向色镜面中，实现对镜面反射和镜面透射的两个光谱区域的清晰分离是困难的。因此，二向色镜面期望的反射/透射效果通常是基于规划好的光波干涉，该光波干涉例如由附接到透明的平面平行板上的相应层结构产生。所述层结构的表面法线和光入射方向之间的角度越大，使用层结构实现对光谱区域的清晰分离的难度越大。在现有技术中经常提供用于彼此相对清晰分离反射区域和透射区域的附加光学结构元件来克服这一问题。例如，US7071451B2为此提供附加的红外闭塞滤光器，该闭塞滤光器在透射检测光的光路中布置在二向色镜面下游。

最后，当为了提高显微镜应用的灵活性而应将二向色镜面设计成其能根据应用场合被插入到显微镜光路中或从中移出时，常用的二向色镜面的45°布置的也表现糟糕。在这种情况下，在45°布置中，在二向色镜面布置在显微镜光路中或不布置在显微镜光路中的两个操作状态之间会出现光路的光轴的相当大的偏移，该偏移会损害光学成像质量或者必须通过另外的构件来补偿。

关于现有技术，还参考DE4231267B4，其描述了称为“史密斯分光器”的反光镜组件。该反光镜组件由两个反光镜组成，其中一个反光镜由相对于光轴不是成45°布置而是成22.5°布置的分光器表面形成。然而，该分光器表面被设计作为中性分光器，该中性分光器具有波长无关的反射效果或透射效果。因此，所述表面不适于将不同的光谱部分彼此分开。

本发明的目的是改进前言所述类型的显微镜，从而能够以较低技术成本来更精确地分离光谱部分并且同时避免上述缺点。

发明内容

本发明通过一种具有权利要求1的特征的显微镜来实现所述目的。在从属权利要求中描述了有利的改进方案。这种显微镜包括一个或多个光源，所述光源单独或共同地产生照明光路，该照明光路包括在多个波长范围内的光线；具有二向色镜面的二向色分束器组件，该二向色镜面在包括多个波长范围的光路部分中布置在物镜透镜和镜筒透镜之间，以通过反射在反射光路方向上产生反射部分光束并通过透射在透射光路方向上产生透射部分光束，该透射部分光束的透射波长范围与反射部分光束的反射波长范围不同，该二向色分束器组件以预定偏转角度改变该反射部分光束相对于照明光路的传播方向。根据本发明，该二向色镜面以22.5°±7.5°的角度布置在光路部分中。二向色分束器组件包括布置在反射光路中的至少一个另外反光镜。通过在所述二向色镜面和至少一个另外反光镜上的所有反射的总和，以该预定偏转角度改变该反射部分光束的传播方向。

即，根据本发明，该显微镜包括二向色分束器组件，其二向色镜面反射沿反射光路传播的反射部分光束并透射沿透射光路传播的透射部分光束，其中该透射部分光束的波长不同于该反射部分光束的波长。此外，该显微镜包括在反射光路中布置在公共光路部分外的至少一个另外反光镜，该公共光路部分包括反射光路和透射光路。所述另外反光镜与二向色镜面一起形成反射布置，其以连续反射形式偏转反射部分光束以实现期望的偏转角度。在这里，偏转角度是指在进入分束器组件的光束的传播方向与离开分束器组件的光束的传播方向之间的角度。

通过设置另外反光镜，可以如此校准二向色镜面的取向，即其表面法线相对于公共光路部分的光轴以22.5°±7.5°角度倾斜。即，本发明允许不同于常规45°布置地使二向色镜面相对于公共光路部分的光轴以小于45°的角度取向。该角度越小，就越容易借助通常被用于实现二向色镜面的层结构获得对光谱区域的期望的清晰分离。特别是，根据本发明的布置允许清晰分离光谱区域而无需为此设置附加光学元件如红外闭塞滤光器。这种清晰分离尤其对于采用高敏照相机的活细胞荧光应用来说是必需的。来自其它光谱区域的剩余光线在此将被视为高度干扰的背景结构。

由于本发明规定二向色镜面的表面法线相对于公共光路部分的光轴以比通常更小的角度取向，故还可确保二向色镜面的期望的偏振中性。本发明的显微镜因此可以很有利地被用在所有偏振光学应用如DIC方法中。

另外，二向色镜面的根据本发明的取向造成该镜面沿光路光轴的延伸小于其在常规45°布置时的情况。因此，与45°布置相比，该二向色镜面沿光轴需要更小的安装空间。这有利于特别紧凑的显微镜结构，这尤其在确定在物镜透镜和通常其中设有二向色分束器布置的镜筒透镜之间的距离敏感区域的尺寸时是特别有利的。

如果二向色镜面应被设计成可将其插入光路中并从中移出以提高应用灵活性，则本发明的镜面取向因此减小在将镜面布置在光路中和从光路中移出的两个操作状态之间出现的光路光轴偏移。此外，沿光轴的更小安装空间在此也是有利的。

在根据本发明的设计结构中，与常用的45°布置相比，二向色镜面的表面法线相对于公共光路部分的光轴仅以一半的程度倾斜。这种按照22.5°的布置尤其就期望的光谱区域清晰分离和期望的偏振中性而言已被证明是有利的。

不言而喻，根据本发明的技术方案并不恰好局限于上述22.5°布置。据此，二向色镜面相对于公共光路部分的光轴布置的角度可以在±7.5°容差范围内变化。这仍确保所述角度小于常规设定的45°角度。因此，实现了期望的技术效果，即减小的光束偏移、光谱区域清晰分离和/或基本的偏振中性。

优选设置恰好一个另外反光镜。在这种情况下，本发明的分束器组件仅由两个反光镜面组成，由此能保持简单的光学结构。

根据本发明的显微镜优选包括用于将二向色镜面移出并将反光镜面插入光路部分的调整装置。由此提高显微镜应用的灵活性。

虽然在一个特别优选的实施例中该二向色镜面似乎作为可切换的分光器表面来构成，即根据应用的不同可被插入光路部分和从中移出，但有利的是所述另外反光镜被固定安装在显微镜中，例如在其三脚架上。这是可能的，因为所述另外反光镜位于公共光路部分之外。因而，在将二向色镜面从光路部分移出的操作状态中，所述另外反光镜也是无用的。

在另一有利实施例中设置具有自聚焦光源的自聚焦模块，该自聚焦光源发射自聚焦光线到分束器组件。可以这样实现该实施例，例如将二向色镜面插入光路部分以激活自聚焦模块，该二向色镜面在其它情况下从光路部分中被移出。在这种情况下，自聚焦模块的自聚焦光源优选发射呈光线形式的反射部分光束，该光线的波长在红外区域内。

在一个优选实施例中，该二向色镜面布置在无限光路中。这尤其在二向色镜面应被设计成可切换元件即其根据应用被插入光路部分或从光路部分移出时是有利的。

附图说明

以下将基于附图来更详细描述本发明，其中：

图1是包括表示本发明第一实施例的显微镜的部件的示意图；

图2是设置在根据图1的显微镜中的二向色分束器组件的示意图；

图3是作为比较例的显微镜的示意图；

图4是根据图3的显微镜所用的分束器组件的示意图；

图5是示出根据图1的显微镜所用的二向色镜面的波长相关的透射的曲线图；

图6a是作为比较例示出现有技术所用的二向色镜面的波长相关的透射的曲线图；

图6b是示出现有技术所用的红外闭塞滤光器的波长相关的透射的曲线图；

图7是以在玻璃板上反射为例示出偏振中性的角度相关性的曲线图。

具体实施方式

图1示出表示本发明第一实施例的显微镜10。在这里，图1仅示出用于理解本发明所必需的显微镜10组成部件。

根据图1的显微镜10包括由多个透镜组14、16、18和20形成的物镜透镜12。物镜透镜12用于借助镜筒透镜24在中间像平面26使样本22成像。

显微镜10进一步包括自聚焦模块28，自聚焦模块具有以已知方式将物镜透镜12聚焦于样本22的功能。自聚焦模块28具有发射反射部分光束32的光源30，其波长在红外区域内。由激光光源30发出的反射部分光束32穿过闭塞滤光器34，它滤除在可见波长范围内的反射部分光束32的光谱部分。然后，反射部分光束32穿过聚光透镜31和场透镜36且在反光镜元件38处被反射进入光传输系统40，该光传输系统由多个透镜组42、44、46和48以及光阑50形成。

在穿过光传输系统40之后，反射部分光束32照射到由二向色镜面54和反光镜56形成的二向色分束器组件52。图2再次详细示出二向色分束器组件52。如图2所示，二向色镜面54以层结构形式被施加至透明的平面平行托板58。全反射镜56设置在另外一个平面平行托板60上。

反射部分光束32首先在反光镜56上被反射，然后在第一二向色镜面54上被反射。虽然镜56被设计为全反射的，但二向色镜面54例如以层结构形式构成，以使其反射波长在红外区域内的反射部分光束32，但透射波长在可见区域内的光线。

在二向色镜面54上被反射后，反射部分光束32到达物镜透镜12并由此聚焦到样本22。在样本22上被反射的一部分反射部分光束32经由物镜透镜12返回到二向色镜面54，该二向色镜面使反射部分光束32偏转到第二反光镜面56。第二反光镜面将反射部分光束32反射回传输系统40。反射部分光束32然后借助光瞳分光在镜元件38处被反射并借助滤光器62在检测器64上成像。滤光器62和检测器64是自聚焦模块28的一部分。所述模块评估在检测器64上由反射部分光束32所产生的信号，并通过所述信号控制聚焦装置以将物镜透镜12聚焦到样本22。在图1中略去了控制用部件。

反射部分光束32在显微镜10中沿在图1中总体用66标示的反射光路传播。相反，来自样本22的检测光以透射部分光束68形式沿着在图1中用70标示的透射光路传播，该检测光经由物镜透镜12和镜筒透镜25被引导至中间像平面26。在本实施例中，该透射部分光束的波长应处于可见波长光谱中。相应地，二向色镜面54被设计成透射波长在可见区域内的光。

反射光路66和透射光路70包括在图1中用72标示的、位于二向色镜面54和样本22之间的且具有光轴O的公共光路部分。如图2所示，公共光路部分72的光轴O位于二向色镜面54上，使其表面法线N₁具有22.5°的角度β。相应地，第二反光镜面56的在图2中用N2标示的表面法线相对于照射第二反光镜面的反射部分光束32的入射方向也形成22.5°角度，该角度在图2中标示为γ。因为在任何情况下光入射角度等于在反光镜面54、56处的光反射角度，故二向色分束器组件52总体以α＝90°的偏转角度相对于在图2中从下方指向反光镜56的照明光路反射进入其中的反射部分光束32。

因为由二向色镜面54所产生的、在物镜透镜12中的反射部分光束32的反射仅在自聚焦模块28的工作期间是必需的，故二向色镜面54位其上的托板58可从反射光路66中移出。为此，设置在图1中单纯示意性所示的调整装置74。如果托板58从反射光路66中移出，则反射部分光束32不耦合输入物镜透镜12。相反，第二镜表面56位于其上的托板60被固定安装在显微镜10内。

图3和图4示出不是根据本发明的而是通常在现有技术中所使用的比较例。在这里，对应于如图1和图2所示实施例的部件的部件在图3和图4中带有相同的附图标记。

图1和图2所示的实施例与根据图3和图4的比较例的不同之处主要在于二向色分束器组件52。如以上参考图2所述，在本发明的实施例中，通过设置反光镜56而可以将二向色镜面54如此布置在反射光路66中，即其表面法线N₁(仅)与公共光路部分72的光轴O一起形成角度β＝22.5°。相反，在比较例中仅提供唯一的反光镜面，即用54’标示的二向色镜面。为了实现偏转角度α＝90°，二向色镜面54’在反射光路66中如此布置，即其表面法线N₁’与公共光路部分72的光轴O一起形成角度β’＝45°。这对应于前言所述的且在现有技术中常见的45°布置。

通过对比图2和图4可以看出，在本发明实施例中所用的22.5°布置所具有的优点是托板58、58’在此分别布置在反射光路66中和从中移出的两个操作状态之间出现的光束偏移X更小。为了展示各光束偏移的尺寸，单纯举例而言，各托板58、58’为由BK7组成的2毫米厚的板。在这个例子中，光束偏移从45°布置时的0.67毫米减小到根据本发明的22.5°布置时的0.28毫米。

图5、图6a和图6b示出根据本发明技术方案的另一优点。图5示出在根据本发明的22.5°布置中的二向色镜面54的波长相关的透射的例子，该例子应当与根据图6a的相应曲线图进行比较，该曲线图示出在常规的45°布置中的二向色镜面表54’的透射(见图4)。通过比较图5和图6a可以清楚看出，根据本发明的布置允许更清晰地分离所观察的光谱区域(在本实施例中，为可见区域和红外区域)。因此，在常规的45°布置中，在二向色镜面54’后面通常设有红外闭塞滤光器，图6b示出滤光器的波长相关的透射。在图1和图2所示的实施例中不再需要这样的滤光器。

最后，图7示出在反射光路66中如何布置二向色镜面54’来影响偏振中性。为此，图7示出用于在具有1.5折射率的玻璃板上的垂直偏振光和平行偏振光的反射的反射系数R_s和R_p。根据图7的曲线图所示，两个反射系数R_s和R_p彼此间偏差越大，偏转角度α变得越大。因此，对于偏振中性，二向色镜面54的根据本发明的22.5°布置明显优于常规的45°布置。

如以上所述，本发明的技术方案并不限于在具体所述实施例中规定的22.5°布置。假如所述角度小到足以实现期望的技术效果即减小的光束偏移、光谱区域清晰分离和/或基本的偏振中性，则二向色镜面54的表面法线N₁相对于公共光路部分72的光轴O布置所形成的角度也可以在±7.5°范围内是不同的。

附图标记说明

10显微镜；12物镜透镜；14,16,18,20透镜组；22样本；24镜筒透镜；26中间像平面；28自聚焦模块；30激光光源；31聚光透镜；32反射部分光束；34闭塞滤光器；36场透镜；38镜元件；40光透射系统；42,44,46,48透镜组；50光阑；52二向色分束器组件；54二向色第一镜表面；56第二镜表面；58,60托板；62滤光器；64探测器；66反射光路；70透射光路；72公共光路部分；74调整装置；N1，N2曲面法线；α，β，γ角度；X光束偏移。

Claims (12)

1.一种显微镜(10)，包括：

-一个光源或多个光源(30)，所述一个光源或多个光源单独地或共同地产生照明光路，所述照明光路包括在多个波长范围内的光线；

-具有二向色镜面(54)的二向色分束器组件(52)，所述二向色镜面在包括多个波长范围的光路部分(72)中布置在物镜透镜(12)和镜筒透镜(24)之间；

-所述镜面通过反射在反射光路(66)的方向上产生反射部分光束(32)；

-并且所述镜面通过透射在透射光路(70)的方向上产生透射部分光束(68)，所述透射部分光束的透射波长范围与所述反射部分光束(32)的反射波长范围不同，

-所述二向色分束器组件(52)以预定偏转角度(α)改变该反射部分光束(32)相对于所述照明光路的传播方向，

其特征在于，

-所述二向色镜面(54)以22.5°±7.5°的角度布置在所述光路部分(72)中，

-所述二向色分束器组件(52)包括布置在所述反射光路(66)中的至少一个另外反光镜(56)，

-通过在所述二向色镜面(54)和所述至少一个另外反光镜(56)上的所有反射的总和，以该预定偏转角度(α)改变该反射部分光束(32)的传播方向。

2.根据权利要求1所述的显微镜(10)，其特征在于，所述偏转角度(α)是90°。

3.根据权利要求1或2所述的显微镜(10)，其特征在于，所述显微镜恰好有一个另外反光镜(56)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述二向色镜面(54)由安装到平面平行的透明托板(58)的层结构形成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述显微镜具有调整装置(74)，所述调整装置用于将所述二向色镜面(54)移出所述光路部分(72)并将所述镜表面插入所述光路部分(72)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述另外反光镜(56)刚性安装在所述显微镜(10)中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述显微镜具有自聚焦模块(40)，所述自聚焦模块包括发射自聚焦光线到所述二向色分束器组件(52)的自聚焦光源(30)。

8.根据权利要求7所述的显微镜(10)，其特征在于，自所述自聚焦光源(30)发出的自聚焦光线的波长在红外区域内。

9.根据权利要求7或8所述的显微镜(10)，其特征在于，所述自聚焦光源(30)发射所述自聚焦光线到设于所述公共光路部分(72)外的所述另外反光镜(56)，所述另外反光镜(56)将所述自聚焦光线反射到所述二向色镜面(54)，且所述二向色镜面(54)将所述反射部分光束(32)反射入所述公共光路部分(72)中。

10.根据权利要求9所述的显微镜(10)，其特征在于，与所述反射部分光束(32)的传播方向相反，所述透射部分光束(68)在所述公共光路部分(72)中照射到所述二向色镜面(54)上。

11.根据权利要求10所述的显微镜(10)，其特征在于，在所述反射部分光束(32)的传播方向上，所述二向色镜面(54)布置在设于所述公共光路部分(72)中的所述物镜透镜(12)的上游。

12.根据前述权利要求中任一项所述的显微镜(10)，其特征在于，所述二向色镜面(54)布置在无限光路中。