专利名称：用于光线的可变偏转的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光线的可变偏转的装置，其包括微机械镜排列，该排列具有多个反光镜致动器；以及控制单元，通过该控制单元可控制镜致动器至不同反射位置以改变光偏转。
背景技术：
显微镜、特别是共焦显微镜中通常在成像光路的末端设置能够选择性检测所检测光的各个光谱分量的装置。通常使用分光器于此；它们透射光的特定光谱分量而反射其他的光谱分量。结果是例如，能够选择性地检测从样本发射的待成像的荧光辐射。能够用于选择性光检测的可替代方式是首先将所探测的光穿过光学色散元件，例如棱镜，其以波长相关方式折射所探测的光并因此产生光谱分散的、离散的光束。该光束然后传输至镜滑块设备，其由多层镜栅(mirror cascade)组成。这些镜栅中的每一个都由两个镜元件组成，这两个镜元件由间隙彼此间隔。部分光谱上分开的光束穿过该间隙，而光束的其余部分在镜元件上反射至其他镜栅上，后者进而导引特定光谱分量至另一检测器。这种类型的镜滑块设备对比于现有技术主要使用的分光器具有优势，即通过移动镜元件而以简单方式改变将被传输至检测器的光谱分量。这种类型的镜滑块设备的实例在DE 43 30 347 Al 和 DE 100 38 049 Al 中描述。然而镜滑块设备具有劣势，它们具有相对复杂结构以使得在选择待检测的光谱分量中的所需灵活性。因此需要精确地操作马达以将镜元件移动至各自需要的位置。此外镜元件的位移是相对耗时的。US 6, 396, 053 BI公开了一种扫描显微镜,其包括光偏转装置,该光偏转装置可选择地将通过棱镜光谱分散光束的光谱分量传输至不同的检测器。该光偏转装置包括微机械镜排列，其具有多个镜致动器，它们能够各自移动至不同反射位置。例如，针对这些镜致动器中的每个设置五个不同的反射位置并因此五个不同偏转角，从而将光可选择地引导至不同检测器。每个单个镜致动器能够呈现的相对大数量的不同反射位置需要对各自镜致动器的精确控制应用；因此使得这种先前已知光偏转装置的技术实施变得困难。关于现有技术，此外参照所谓的数字光处理(DLP)系统，它们用于投影技术，例如，用于视频投影机。这些DLP系统类似地包括微机械镜排列，其包括多个以矩阵形式布置的镜致动器。然而对于这些镜致动器中每一个，只精确提供了两个反射位置，镜致动器能够在这两个反射位置之间每秒前后移动多达几千次。每个镜致动器能够表示一个像点或像素，它们的亮度在整个时间内调节，在该时间该相应镜致动器在预定时间间隔内定位在一个或另一个反射位置。由于转换时间短，例如在共焦显微镜中也需要使用上述的DLP技术以将所检测的光偏转至不同检测器。然而实施这些短切换时间的唯一方式是通过仅精确地设置两个限定的反射位置，其最终同样使得仅两个不同偏转方向成为可能。然而在通常共焦应用中，需要多于两个方向的光偏转。
发明内容
本发明的目的是进一步开发一种文中开头所述类型的光偏转装置，从而通过简单技术手段使得快速且精确地转换偏转方向成为可能。根据权利要求1，本发明通过背反射结构实现该目的，该背反射结构系统性地适于镜排列，用于将从一部分镜致动器反射至背反射结构的光以目标形式反射返回至另一部分镜致动器。因此本发明在微机械镜排列之外还提供了背反射结构，其以如下方式适于镜排列，即根据镜致动器的不同反射位置能够在偏转装置中实现针对光的不同偏转路径，从而由根据本发明的装置引起的光偏转能够根据需要控制。针对该目的，背反射结构关于镜排列以如下方式布置，即使得与构成镜排列的镜致动器相互作用时获得期望的偏转路径，其能够通过对镜致动器的相应控制应用而自由选择。背反射结构针对镜排列的“系统适应”因此意味着背反射结构相对于镜排列的合适空间布置，通过该空间布置可以建立不同的偏转路径。根据本发明的背反射结构能够因此具体为根据镜致动器的反射位置，镜致动器和背反射结构之间的以镜栅的方式的多次反射是可能的。能够想象到的是，例如对于各个镜致动器而言，在第一反射位置，镜致动器发送通过背反射结构反射至其上的光返回至背反射结构，并因此保持光线于镜排列和背反射结构所构成的单元内，而在第二反射位置，镜致动器反射光线离开该单元。该原理的应用允许光偏转在广泛的限度内变化。所使用的微机械镜排列优选为DLP模块，其中镜致动器能够以毫秒级的短切换时间独立地控制。各个镜致动器通常具有边界长度，它们处于数微米至数百微米的区间范围。这种类型的微机械镜排列因此使得空间和时间上的高分辨率可变光偏转成为可能。此外，它能够以微型MOEM元件的形式而经济的生产，所述MOEM元件具有长的使用寿命并在很大程度上对温度变化和大气湿度不敏感。本发明因此使得可以使用操作精确且迅速的数字光选择器。由于背反射结构与镜致动器构成的镜排列的交互作用使得在根据本发明的装置中的多次反射成为可能，镜致动器还能够仅具有几个，优选为刚刚两个限定的反射位置，以在装置中实现所期望的多个偏转路径。这简化了对镜致动器的控制应用，以及此外增加了利用其来偏转光线的精确性。本发明的原理——利用与背反射结构结合的多次反射——包含了光线被偏转的光路的任意可逆性。因此能够使用根据本发明的装置以例如转换从不同空间分布的光源发射的光至(单个)预定方向。同样可以想象到的是将源自单一光源的光线转换至不同方向。还能够想象到上述这两个偏转原理的组合形式。镜致动器优选为具有相同尺寸的相同设计元件。然而它们也能够具有不同尺寸，例如在根据本发明的光偏转系统在其前方布置有在光谱上分散光线的棱镜并因此将其转换为以波长相关方式发散的光束时。在该情形中，能够通过各个镜致动器的相应尺寸调节而考虑光束的波长相关的扩展。根据本发明的快速转换镜致动器和面朝它们的背反射结构的交互作用使得在每个情形中偏转装置对偏转几何结构的灵活调节成为可能。例如能够想象到的是，首先光线中心地入射镜排列，并然后在从该装置出射前交替地在两个方向上通过多次反射传递。光线同样能够首先入射镜排列的边缘，并然后在预定方向上传递。此外，待引导的光线还能够由全部以相同角度或不同角度入射在偏转装置上的多个光束构成。反射离开偏转装置的光束同样能够具有相同出射角度或不同出射角度。优选的实施方式，其中镜致动器的每个可精确地控制至两个反射位置，针对每个镜致动器设置两个停止点以限定两个反射位置。结果是镜致动器能够分别快速且精确地转换至期望的偏转方向，从而实现期望的光偏转。背反射结构优选以静止方式实现。可转换镜致动器和静止背反射结构的组合特别有利于微机械镜排列的简单控制从而实现期望的光偏转。可替代的，背反射结构还能够由可动元件组成。还能够特别地为背反射结构设置微机械镜排列。在优选实施方式中，镜致动器形成多个彼此平行排放的镜排(mirror rows)。这些镜排中的每个能够例如用于以期望方式偏转从不同方向入射的光线或光束的特定光谱分量。布置在相应镜排中的镜致动器在它们的反射位置上例如具有相对于镜排列共同参考平面的相同倾斜角度。该相同倾斜角度的设置简化了微机械镜排列的结构。然而，可替代的，布置在相应镜排中的镜致动器的每个还能够在它们的反射位置上具有相对于镜排列共同参考平面的不同倾斜角度。因此例如在光线以居中方式进入时，能够以所有可能的出射区域具有相同的光出射角度的方式实现由镜布置和背反射结构构成的单元中的多次反射。在优选实施方式中，背反射结构包括多个反射元件和多个透明透射元件，至少一个透射元件构成待偏转光线的光线入射区，而其他透射元件构成针对被镜致动器反射的光线的光出射区。在本文中，进入光线入射区的光线可选择地根据反光镜致动器的反射位置偏转至一个光出射区。在该实施方式中，与镜致动器交互的反射元件提供了镜排列和背反射结构构成的单元内的多次反射，而透明透射元件使得光线进入以及光线离开该单元成为可能。反射元件和透射元件优选地彼此平行且交替地布置。这里反射元件和透射元件构成一种带状背反射模式，其能够根据需要适应镜排列的几何形状，其中镜致动器优选平行于镜排布置。在优选实施方式中，光入射区布置在光出射区之间的中间。该配置例如在需要中间光入射以及随后从中间朝向装置边缘偏转时是有用的。然而同样可以想象到的是，光入射区设置在装置的边缘处，从而之后光线从以预定方向重定向离开该边缘。反射元件和透射元件优选地布置在远离镜排列的平面上并当投影在镜排列上时正交于该镜行延伸。在该配置中，构成背反射结构和镜行的元件因此可以说是布置为十字交叉的。这特别使得背反射结构与镜排列的简单系统调节成为可能，从而例如引起由于光谱扩展引起发散的光束偏转上的所需的多次反射。优选地，在相应镜行中的至少一个镜致动器当投影至背反射结构时指向至一个透射元件。在该实施方式中，镜致动器例如是每个布置在一个透射元件的下方，所述透射元件可以作为光入射区或光出射区。这使得垂直光入射至偏转装置或从偏转装置的垂直光出射成为可能；这例如简化了偏转装置与光源或检测器的对准。
优选地设置了容纳镜排列的外壳、以及安装在外壳上并结合背反射结构于其上的透明盖。透明盖例如是玻璃板，其上结合了反射涂层形式的背反射结构。背反射结构优选地定位在盖的下侧朝向镜排列。这有利于镜排列和背反射结构之间的无损耗多次反射。然而背反射也能够布置在盖的上侧或盖的外侧。透明盖优选地在两侧面抗反射涂覆，从而避免了在镜排列和背反射结构之间的不期望的多次反射。在特别优选的实施方式中，设置了色散元件，其通过光的光谱色散以如下方式产生光入射束，即光入射束具有通过光谱色散拉长的光束截面，通过该色散元件光入射束穿过光入射区并垂直于镜行入射至镜排列，其中每个镜行具有分配至它们的光入射束预定光谱区。该实施方式能够特别有利地用于共焦显微镜中，从而目前那里使用的镜滑块设备可以替代为根据本发明的偏转装置，这特别使得光线的各种光谱分量的快速且精确偏转至例如不同的检测器成为可能。在本文中，每个镜行接收光入射束的预定光谱区，其之后能够独立于其他光谱区可选择地以期望偏转方向引导。镜行优选地一起被分组为多个群组，其中每个通过光入射束的偏转生成从一个光出射区出射的预定光谱组分的出射光束。镜行组合为数个(包括不连续的)群组，其中每个单个群组生成以特定方向偏转的预定光谱组分的光出射束，这允许根据需要，将待偏转的光根据其光谱组分分配至不同的检测器。特别地，与目前所使用的镜滑块设备不同，不再需要将连续波长区域分配至单独的检测器。例如在荧光显微镜应用中，能够将整个荧光带引导至单个检测器，以及同时从该荧光带中将位于其中的激发波长“切断”。根据本发明的偏转装置对比于已知的镜滑块设备还具有优势，即每个镜致动器具有分配给它的固定波长区域，其在分配至特定检测器的波长变化情形中不发生改变。相反地，通过镜滑块设备，其中镜对(mirror pairs)以机动化形式移动,单个马达步进会“迷路”,导致光谱的漂移。该装置优选地包括多个检测器，其中每个用于感测至少一个出射光束。如上面已经指出的，对于根据本发明的偏转装置的利用来说，分配给各个检测器的波长区无需为连续的，即单调地上升或下降。在特定检测器特别适于特定应用时，例如荧光寿命显微成像或荧光关联光谱中，和/或在使用特定方法时，例如门控技术，则能够使得任意所需波长区域分配至该特定检测器，而不管检测器定位在所述系统中的何处。这意味着根据本发明的装置能够将每个波长分配至最佳适合的检测器。根据本发明的其他方面，提供了一种光学装置，特别是显微镜以及特别优选的是共焦显微镜，该装置装配有上述类型的用于光线可变偏转的装置。
下文中将根据例证性实施方式并参照附图描述本发明，其中图1是根据本发明的偏转单元的截面侧视图，该偏转单元是偏转装置的一部分；图2是偏转单元的透视平面图；以及图3是说明如何使用根据本发明的偏转装置的实例的示意图描述。
具体实施例方式图1和2分别示出了偏转单元10的截面侧视图和平面图。偏转单元10是在例如共焦显微镜中所使用的将光谱上分离的光输送至不同检测器的装置的一部分。
偏转单元10具有外壳12，其中容纳微机械镜排列14。镜排列14例如是DLP元件，并由多个仅以示例方式的矩阵形状布置的镜致动器组成，图1描述了五个致动器，标记为18a至26a，以及图2描述了 15个致动器，标记为18a至26a、18b至26b、18c至26c。注意的是在本文中，图1和2中的描述仅用于说明。在实际实施中设置相当多的镜致动器，例如(根据应用)从数百至数千范围的致动器。如图2的透视平面图中所示，镜致动器形成彼此平行布置的镜行，其中在图2中再次只描述了三行，标记为30a、30b和30c。下文中关于由致动器18a至26a所形成的镜行30a进行陈述。这些陈述相应地应用于其他镜行。镜致动器18a至26a每个相对于镜排列14的共同参考平面E可独立倾斜。设定每个镜致动器18a至26a具有两个停止点(未示于图1 )，它们限定各自镜致动器18a至26a的两个不同反射位置。在图1中，两个反射位置中的一个在每个情形中以实线示意，另一个以虚线示意。从图1中还明显的是，镜致动器18a至26a在它们各自反射位置具有相对于参照平面E的不同倾斜角度。设置控制单元32以施加对镜致动器18a至26a的控制，该单元能够使得每个单个镜致动器18a至26a由例如静电位移力施加，从而在其两个限定的反射位置之间转换相应的镜致动器18a至26a。遮盖外壳12的盖玻璃34安装在外壳12的上侧。接合在盖玻璃34的下侧并朝向镜排列14的是细长反射元件40、42、44和46，它们彼此平行布置，并当投影在镜排列14上时正交于镜行30a、30b和30c延伸。在本例证性实施方式中，反射元件40、42、44和46是反射涂层，它们蒸汽地沉积在盖玻璃34上。在反射元件40、42、44和46之间以及在盖玻璃34的边缘上(见图2)是没有反射涂层的区域。这些区域，标记为图1中的48、50、52、54和56，因此是透明的，并在下文中称为透射元件。如图2所示，透射元件48至56也当投影在镜排列14上时垂直于镜行30a、30b和30c延伸。反射元件40至46和透射元件48至56组成背反射结构，通常标记为图1中的60，其使得偏转单元10中通过入射光的多次反射以期望方式偏转光的不同偏转路径成为可能。下文中参照图1说明可位移镜致动器18a至26a以及朝向它们的背反射结构60的交
互作用。在图1所示的实例中，偏转单元10旨在可选择地偏转垂直入射光至不同出口区。本实例中设定光线以入射光束62的形式进入透射元件52构成的细长中间光线入射区。入射光束62特别地入射在镜致动器22a上，其根据它的反射位置将光引导至反射元件42 (至图1中的左侧)或引导至反射元件44 (至图1中的右侧)。入射至反射元件42或反射元件44的光线然后分别被反射返回到镜致动器20a或镜致动器24a。各个镜致动器20a或24a然后依据其反射位置将光线分别引导至反射元件40或46，或分别引导至相应透射元件50或54，通过该透射元件光线离开偏转单元10。图1中通过出射光束64和66示意了上述两种出射可能。其他出射光束68、70、72和74能够通过图1所示的布置根据其他镜致动器18a至26a的反射位置而以对应方式生成。在图1中部分示出的由镜致动器18a至26a构成的镜行30a因此与面朝它的背反射结构60相互作用，能够选择性地从入射光束62生成出射光束64至70中的一个。图2中所示的镜行30b和30c也相应的同样如此。每个镜行30a、30b、30c因此能够将入射至其的光线根据其镜致动器的反射位置而可选择地以数个可能方向中的一个偏转。在本例证性实施方式中，每个镜行30a、30b、30c已经分配了入射光的预定波长区。偏转单元10因此能够根据波长以不同方向偏转光线。该应用再次在图3中示意。图3示意性地示出了偏转装置，其通常标记为100，其中棱镜80布置在偏转单元10的前方。棱镜80用于光谱地分散入射光束82,并因此生成发散光束,其具有由于光束分散引起的拉长的光束截面。在图3中，该光谱发散光束截面通过三个子光束84、86和88示意，其中每个旨在表不光束82的一种光谱分量。三个子光束84、86和88入射在偏转单元10上，其确保该子光束84、86和88以不同方向偏转。在图3所示的实例中，子光束84旨在转化为出射光束90，子光束86旨在转化为出射光束92，以及子光束88旨在转化为出射光束94。偏转单元10可选择地将每个出射光束90、92和94传输至数个检测器96、98、99中的一个。在图3所描述的实例中，出射光束90、92和94中的一个分别入射在检测器96、98、99中的一个上。然而应该理解的是这仅是示例。例如针对三个出射光束90、92和94中的两个能够引导至同一个检测器。为了生成图3所示意方式的出射光束90、92和94，镜行能够以任意期望组合聚集在一起为分别生成出射光束90、92和94中的一个的群组。本实例中设置由子光束84、86和88构成的入射光束使得通过光束分散生成的其纵向光束与镜行呈正交方向入射。元件列表10 偏转单元 12 外壳14镜排列18a至26a镜致动器18b至26b镜致动器18c至26c镜致动器30a 至 30c镜行32控制单元34盖玻璃40, 42, 44，46反射元件48，50，52，54，56 透射元件60背反射结构62入射光束64，66，68，70，72，74 出射光束80棱镜82光束84，86，88子光束90，92，94出射光束96，98，99检测器100偏转单元
权利要求
1.一种用于光线的可变偏转的装置(100)，其包括微机械镜排列(14)，其具有多个反光镜致动器(18、20、22、24、26)，以及控制单元(32)，通过该控制单元可控制镜致动器(18、20、22、24、26)至不同反射位置以改变光偏转，其特征在于背反射结构(60)，其系统性地适于镜排列(14)，用于将从一部分镜致动器(18、20、22、24、26)反射至背反射结构(60)的光以目标形式反射返回至另一部分镜致动器(18、20、22、24、26)。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中每个所述镜致动器(18、20、22、24、26)可精确控制至两个反射位置。
3.根据权利要求2所述的装置(100)，其中针对每个所述镜致动器(18、20、22、24、26)设置两个停止点以限定所述两个反射位置。
4.根据前述任一权利要求所述的装置(100)，其中所述背反射结构(60)为静止形式。
5.根据前述任一权利要求所述的装置(100)，其中所述镜致动器(18、20、22、24、26)形成多个彼此平行布置的多个镜行(30a、30b、30c)。
6.根据权利要求5所述的装置(100)，其中布置于相应镜行(30a、30b、30c)中的所述镜致动器(18、20、22、24、26)在它们的反射位置上具有相对于镜排列(14)的共同参考平面(E)的相同倾斜角度。
7.根据权利要求5所述的装置(100)，其中布置于相应镜行(30a、30b、30c)中的所述镜致动器(18、20、22、24、26)在它们的反射位置上具有相对于镜排列(14)的共同参考平面(E)的不同倾斜角度。
8.根据权利要求5所述的装置(100)，其中布置于相应镜行(30a、30b、30c)中的所述镜致动器(18、20、22、24、26)中的至少一个在它的反射位置上具有相对于镜排列(14)的共同参考平面(E)的不同幅度的倾斜角度。
9.根据前述任一权利要求所述的装置(100)，其中所述背反射结构(60)包括多个反射元件(40、42、44、46)和多个透明透射元件(48、50、52、54、56)，至少一个透射元件(48、50、52、54、56)构成待偏转光线的光入射区，而其他透射元件构成针对被镜致动器(18、20、22、24,26)反射的光线的光出射区，以及进入光入射区的光线可选择地根据反光镜致动器(18、20、22、24、26)的反射位置偏转至一个光出射区。
10.根据权利要求9所述的装置(100)，其中所述反射元件(40、42、44、46)和透射元件(48、50、52、54、56)彼此平行且交替地布置。
11.根据权利要求10所述的装置(100)，其中所述光入射区布置在光出射区的中间处。
12.根据权利要求10或11所述的装置(100)，其中所述反射元件(40、42、44、46)和透射元件(50、52、54、56)布置在远离镜排列(14)的平面上并且当投影在镜排列(14)上时正交于镜行(30a、30b、30c)延伸。
13.根据权利要求12所述的装置(100)，其中在相应镜行(30a、30b、30c)中的至少一个所述镜致动器(18、20、22、24、26)当投影至背反射结构(60)时指向至一个透射元件(50、52、54、56)。
14.根据前述任一权利要求所述的装置(100)，其特征在于设置了容纳镜排列(14)的外壳(12)、以及安装在外壳(12)上并结合背反射结构(60)于其上的透明盖(34)。
15.根据权利要求9-14之一所述的装置(100)，其特征在于设置了色散元件(80)，其通过光的光谱色散以如下方式产生光入射束(84、86、88)，即光入射束(84、86、88)具有通过光谱色散拉长的光束截面，光入射束(84、86、88)以该光束截面入射穿过垂直于镜行(30a、30b,30c)的光入射区至镜排列(14)，其中每个镜行(30a、30b、30c)具有分配至它们的光入射束(84、86、88)的预定光谱区。
16.根据权利要求15所述的装置(100)，其中所述镜行(30a、30b、30c)具有不同大小。
17.根据权利要求15或16所述的装置(100)，其中所述镜行(30a、30b、30c)被一起分组为多个群组，其中每个通过偏转光入射束(84、86、88)生成从一个光出射区出射的预定光谱组分的出射光束(90、92、94 )。
18.根据权利要求17所述的装置(100)，其特征在于具有多个检测器(96、98、99)，其中每个用于感测至少一个所述出射光束(90、92、94)。
19.一种光学装置，特别是显微镜，具有根据一个前述权利要求的用于光线可变偏转的装置(100)。
全文摘要
描述了一种用于光线的可变偏转的装置(100)，其包括微机械镜排列(14)，该微机械镜排列(14)具有多个反光镜致动器(18、20、22、24、26)；以及控制单元(32)，通过该控制单元可控制镜致动器(18、20、22、24、26)至不同反射位置以改变光偏转。该装置(100)具有背反射结构(60)，其系统性地适于镜排列(14)，用于以目标形式将反射至背反射结构(60)的光从一部分镜致动器(18、20、22、24、26)反射返回至另一部分镜致动器(18、20、22、24、26)。
文档编号G01J3/14GK103033926SQ201210270369
公开日2013年4月10日 申请日期2012年7月31日 优先权日2011年8月1日
发明者F·施莱柏 申请人:徕卡显微系统复合显微镜有限公司