專利名稱：具有微結構光學元件的光源和具有光源的顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有微結構光學元件并具有光學系統的光源，該微結構光學元件對一次光源的光進行光譜擴展，該光學系統將光譜擴展過的光形成為照明光束。
此外，本發明涉及顯微鏡，該顯微鏡包括光源，該光源具有微結構光學元件并具有光學系統，該微結構光學元件對一次光源的光進行光譜擴展，該光學系統將光譜擴展過的光形成為照明光束。
專利文獻US 6,097,870公開了一種用于在可見光譜范圍和紅外光譜范圍中產生寬帶光譜的裝置。該裝置基于在其中輸入耦合泵激光器的光的微結構光纖。泵激光在微結構光纖中通過非線性效應來擴展。作為微結構光纖，可應用所謂的光子帶隙材料(Photonic-Band-Gap-Material)或者“光子晶體光纖(photon crystal fibre)”、“多孔光纖(holey fiber)”或者“微結構光纖(micros tructuredfiber)”。改進方案也公知為所謂的“空心光纖(Hollow fiber)”。
用于產生寬帶光譜的另一裝置在Birks等人的公開文獻“Supercontinuum generation in tapered fibers”(Opt.Lett.Vol.25，p.1415(2000))中公開。在該裝置中應用了具有光纖芯的傳統的光導纖維，該光導纖維至少沿著部件成錐形(Verjuengung)。這類光導纖維公知為所謂的“錐形光纖(taperedfiber)”。
尤其是在顯微術、內診術、流量細胞測量法(Flusszytometrie)、色層分離法和在石版印刷術中，為了照明對象，通用的、具有高光密度的照明設備是重要的。在掃描顯微術中，利用光束對試樣進行掃描(abrastern)。為此，激光器常常被用作光源。從EP 0 495 930“Konfokales Mikroskopsystem fuer Mehrfarbenfluoreszenz”中例如公知一種具有單個發射多個激光線的激光器的裝置。目前，為此大多采用混合氣體激光器、尤其是ArKr激光器。作為試樣，研究例如利用熒光染料制備的、生物的組織或者剖面。在材料研究領域中常常檢測從試樣反射的照明光。常常也應用泵激光器排在其前面的固體激光器和染料激光器以及光纖激光器和光學參量振蕩器(OPO)。
從公開文獻DE 101 15 488 A1中公知一種用于照明對象的裝置，該裝置包括對激光器的光進行光譜擴展的微結構光學元件。該裝置包括將光譜擴展過的光形成為照明光束的光學系統。此外，在該公開文獻中公開了在顯微鏡中、尤其是在掃描顯微鏡中應用用于照明的裝置。
已指出，尤其是來自光源的多色彩的照明光束基于差的光束特性只可有限地應用，該光源包括微結構光學材料、尤其是微結構光學纖維。特別是在顯微術中，在應用這樣的照明光束時常得到不夠好的結果。
因而，本發明的任務是，給出具有微結構光學元件的光源，該光源產生照明光束，該照明光束與被包括在其中的光譜分量無關地具有良好的光束質量。
該任務通過光源來解決，該光源的特征在于，光學系統對光譜擴展過的光的光譜分量的不同的發散進行補償。
本發明的另一任務是，給出一顯微鏡，該顯微鏡包括具有微結構光學元件的光源，利用該顯微鏡也可以在多色彩照明時實現良好的成像結果。
該任務通過顯微鏡來解決，該顯微鏡的特征在于，光學系統可以對光譜擴展過的光的光譜分量的不同的發散進行補償。
根據本發明認識到，在從現有技術中公知的、具有微結構光學材料的光源中的不夠好的光束質量歸因于在光譜擴展過的光從微結構光學材料中射出時，其不同光譜分量的照明錐具有不同的差別。在“傳統的玻璃光纖(突變型(Step-Index)光纖)”中，針對所有波長的發散在第一級中很大程度相等，而各個光譜分量的波長越長，微結構光纖處的發散度越大。這歸因于包層(Cladding)中的孔修改了針對各個波長有效的折射率，并且也修改了色散度。在短波長中，只有微小部分的電場侵入該孔中，以致包層中的折射率幾乎與光纖材料(通常為純石英)的折射率相對應。在較長的波長中，電場大大侵入到該孔的區域中，由此強烈降低有效的折射率。這種效應與孔的大小和孔的間距有關。
根據本發明的光源有利地產生照明光束，該照明光束的光對于其所有光譜分量可被同時準直。這尤其是在掃描顯微術中產生極其有利的效果，因為在那里具有以下決定性的重要性，即照明光束的所有光譜分量在應觀測的試樣層中可找到其焦點。
在優選的改進方案中，針對不同光的波長的光學系統具有不同的焦距。在此，對于許多應用足夠的是，光學系統在第一級中考慮并校正了發散度與波長的線性關系。對于極其特殊的應用，光學系統優選地精確地與微結構光纖的光譜特性相匹配。
在光源的優選的實施變型中，光學系統對光譜擴展過的光的較短波的光譜分量比光譜擴展過的較長波的光譜分量進行更強烈地聚焦。
微結構光學元件優選地包括光子帶隙材料，并且附加地優選地被構造為光導纖維(光子晶體光纖PCS；多孔光纖等)。
在另一變型中，被構造為光導纖維的微結構光學元件成錐形(錐形光纖)。
在光源的優選的變型中，設置光闌，該光闌遮住光譜擴展過的光的邊緣光線。該光闌考慮以下效應，即隨著波長的增長，更多的光到達微結構光導纖維的包層中，雖然該光的光功率分量基本上小于直接從芯中射出的光譜擴展過的光的光功率分量，但是這在微結構光導纖維的輸出上是可見的。尤其是在共焦的電子光柵顯微鏡中采用該光源時有利的是，將該邊緣光通過光闌過濾出。將光譜擴展過的光形成為照明光束的光學系統優選地具有適當的光闌。
在完全優選的改進方案變型中，光學系統是顯微鏡的組成部分，尤其是電子光柵顯微鏡或共焦的電子光柵顯微鏡的組成部分。如果光學系統被實施為物鏡，則是特別有利的。
本發明的光源例如也可用于流量細胞測量儀(Flusszytometer)或內窺鏡或色層譜儀或石版印刷裝置中。
在優選的掃描顯微鏡的改進方案中，微結構光學元件由具有至少兩種不同光學密度的、多個微光學結構元件構成。以下改進方案是完全特別優選的，其中光學元件包括第一區域和第二區域，其中，第一區域具有均勻的結構，而在第二區域中，顯微鏡的結構由微光學結構元件構成。此外，如果第一區域包圍第二區域，則是有利的。微光學結構元件優選的是套管、橋形接片、蜂房(Wabe)、電子管或空腔。
在另一改進方案中，微結構光學元件由并排布置的玻璃或塑料材料和空腔構成。特別優選以下實施變型，其中微結構光學元件由光子帶隙材料構成，并被構造為光導纖維。在激光器和光導纖維之間優選地設置光學二極管，該光學二極管抑制來源于光導纖維的末端的光束的逆反射。
完全特別優選的并且能簡單實現的實施變型包括具有約9μm的光纖芯直徑的傳統的光導纖維作為微結構光學元件，該光導纖維至少沿著部件成錐形。這種類型的光導纖維公知為所謂的“錐形光纖”。光導纖維優選地總共長1m，并且在從30mm到90mm的長度上成錐形。在優選的改進方案中，整個光纖的直徑在成錐形的范圍中約為2μm。
在附圖中示意性示出本發明對象，并且下面根據附圖來說明。在此
圖1示出本發明的光源，圖2示出沒有光學系統的光譜擴展過的光的光束徑跡，圖3示出具有消色差校正過的光學系統的光譜擴展過的光的光束徑跡，圖4示出本發明光源中的光譜擴展過的光的光束徑跡，圖5示出另一本發明的光源和圖6示出本發明的共焦的電子光柵顯微鏡。
圖1示出具有被構造為微結構光導纖維5的微結構光學元件3的本發明的光源1。微結構光導纖維5擴展了被實施為脈沖激光器11的一次光源9的光7。將光譜擴展過的光形成為照明光束15的光學系統13位于微結構光導纖維5的末端，其中，光學系統13對從微結構光導纖維5中射出的光譜擴展過的光的光譜分量的不同的發射進行補償。聚焦光學系統17位于一次光源9和微結構光導纖維5之間。該聚焦光學系統17將一次光源的光聚焦到微結構光導纖維5的入射端。為了防止外部干擾影響，構件位于外殼19中。
圖2示例性地示出在光譜擴展過的光從微結構光學光導纖維5中射出時其來自紅色光譜范圍的第一光束21和來自藍色光譜范圍的第二光束23的徑跡。微結構光導纖維5具有包層25和光纖芯27。也示意性地認識到來自紅色光譜范圍的第一光束21部分地也從包層25射出，而來自藍色光譜范圍的第二光束23基本上從光纖芯中射出。優選地，光學系統也補償遠焦性的這種實際情況。
圖3示出根據現有技術的裝置，其中，為了形成照明光束15，光學系統13被構造為消色差的光學系統29。在包括來自藍色光譜范圍的光的第二光束23由消色差的光學系統29進行準直時，以有缺陷的方式對包括來自紅色光譜范圍的光的第一光束21的光進行聚焦。因此，兩光束21、23并非同時形成平行的射束，而是因而僅僅形成降低的光學射束質量的照明光束。
圖4示出在應用光學系統13時第一光束21和第二光束23的徑跡，該第一光束21包括紅色光譜分量的光，該第二光束23包括藍色光譜分量的光，該光學系統13被實施為調諧到微結構光學光導纖維5的光譜特性的光學系統31。在本發明的裝置中，不僅包括光譜擴展過的光的來自紅色光譜范圍的光的第一光束21經過，而且包括光譜擴展過的光的來自藍色光譜范圍的光的第二光束23經過，并且這兩個光束彼此平行地準直，而且形成具有完好無缺陷的光學射束特性的照明光束。
圖5示出光源的改進方案變型，其中，為了遮住從微結構光學元件3的包層25中射出的光而設置一可變的光闌33。
圖6示出本發明的、被構成為共焦的電子光柵顯微鏡的電子光柵顯微鏡。從具有在該圖中未示出的微結構光學元件的光源1發出的照明光束15由透鏡35聚焦到照明針孔光闌37，并且最終到達主分束器(Hauptstrahlteiler)39，該主分束器39將照明光束15轉向包括萬向懸置的掃描鏡43的光束偏轉設備41。光束偏轉設備41通過掃描透鏡45和鏡筒透鏡47以及通過物鏡49將照明光束15引導穿過或通過試樣51。從試樣射出的、在該圖中以虛線示出的檢測光53以相反的光程到達，也即通過物鏡49、鏡筒透鏡47和通過掃描透鏡45返回到光束偏轉設備41，并且返回到主分束器39，通過該主分束器39，并且在經過檢測針孔光闌55之后到達被實施為多頻帶檢測器59的檢測器57。在多頻帶檢測器59中，在各種光譜檢測通道中對檢測光進行檢測，并且產生與功率成比例的電信號，該電信號被轉交給未示出的、用于示出試樣51的像的處理系統。
本發明參考特別的實施形式加以說明。可是，當然可執行變化方案和變形，而在此不離開下述的權利要求的保護范圍。
參考符號列表1光源3微結構光學元件5光導纖維7光9一次光源11 脈沖激光器13 光學系統15 照明光束17 聚焦光學系統19 外殼21 第一光束23 第二光束25 包層27 光纖芯29 消色差的光學系統31 所調諧的光學系統33 光闌35 透鏡37 照明針孔光闌39 主分束器41 光束偏轉設備43 掃描鏡45 掃描透鏡47 鏡筒透鏡49 物鏡51 試樣53 檢測光55 檢測針孔光闌57 檢測器59 多頻帶檢測器
權利要求
1.具有微結構光學元件的光源，該光學元件對一次光源的光進行光譜擴展，并且該光源具有光學系統，該光學系統將光譜擴展過的光形成為照明光束，其特征在于，該光學系統對該光譜擴展過的光的光譜分量的不同的發散進行補償。
2.根據權利要求1所述的光源，其特征在于，所述光學系統針對不同波長的光具有不同的焦距。
3.根據權利要求1或2之一所述的光源，其特征在于，所述光學系統對所述光譜擴展過的光的較短波的光譜分量比所述光譜擴展過的光的較長波的光譜分量進行更強烈地聚焦。
4.根據權利要求1到3之一所述的光源，其特征在于，所述微結構光學元件包括光子帶隙材料。
5.根據權利要求1到4之一所述的光源，其特征在于，所述微結構光學元件被構造為光導纖維。
6.根據權利要求5所述的光源，其特征在于，所述微結構光學元件成錐形(錐形光纖)。
7.根據權利要求5或6之一所述的光源，其特征在于，所述微結構光學元件是光子晶體光纖(微結構光纖、多孔光纖)。
8.根據權利要求1到7之一所述的光源，其特征在于，設置遮住所述光譜擴展過的光的邊緣光線的光闌。
9.根據權利要求1到8之一所述的光源，其特征在于，所述光學系統是顯微鏡的組成部分，尤其是電子光柵顯微鏡或共焦的電子光柵顯微鏡的組成部分。
10.根據權利要求1到9之一所述的光源，其特征在于，所述光學系統是物鏡。
11.根據權利要求1到8之一所述的光源，其特征在于，在流量細胞測量儀或內窺鏡或色層譜儀或石版印刷裝置中的應用。
12.顯微鏡，其包括光源，該光源具有對一次光源的光進行光譜擴展的微結構光學元件，并且該光源具有將光譜擴展過的光形成為照明光束的光學系統，其特征在于，該光學系統對該光譜擴展過的光的光譜分量的不同的發散進行補償。
13.根據權利要示12所述的顯微鏡，其特征在于，所述光學系統針對不同波長的光具有不同的焦距。
14.根據權利要求12或13之一所述的顯微鏡，其特征在于，所述光學系統對所述光譜擴展過的光的較短波的光譜分量比對所述光譜擴展過的光的較長波的光譜分量進行更強烈地聚焦。
15.根據權利要求12到14之一所述的顯微鏡，其特征在于，所述微結構光學元件包括光子帶隙材料。
16.根據權利要求12到15之一所述的顯微鏡，其特征在于，所述微結構光學元件被構造為光導纖維。
17.根據權利要求16所述的顯微鏡，其特征在于，所述微結構光學元件成錐形(錐形光纖)。
18.根據權利要求16或17之一所述的顯微鏡，其特征在于，所述微結構光學元件是光子晶體光纖(微結構光纖、多孔光纖)。
19.根據權利要求12到18之一所述的顯微鏡，其特征在于，所述光學系統是物鏡。
20.根據權利要求12到19之一所述的顯微鏡，其特征在于，所述顯微鏡是電子光柵顯微鏡、尤其是共焦的電子光柵顯微鏡。
全文摘要
具有對一次光源的光進行光譜擴展的微結構光學元件的光源具有將光譜擴展過的光形成為照明光束的光學系統。該光學系統對光譜擴展過的光的光譜分量的不同的發射進行補償。此外，公開一種顯微鏡。
文檔編號G02B21/00GK1823288SQ200480020233
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月15日 優先權日2003年7月15日
發明者K·莫爾曼 申請人:萊卡微系統海德爾堡有限責任公司