DE10115509A1 - Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem Scanmikroskop und Beleuchtungseinrichtung für ein Scanmikroskop - Google Patents
Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem Scanmikroskop und Beleuchtungseinrichtung für ein ScanmikroskopInfo
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Abstract
Die Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem Scanmikroskop besteht aus einem Laser (1) und einem optischen Mittel (12), das das von dem Laser (1) erzeugte Licht auf eine zu untersuchende Probe (13) abbildet. Zwischen dem Laser (1) und dem optischen Mittel (12) ist ein optisches Bauelement (3, 20) vorgesehen, das das vom Laser (1) erzeugte Licht bei einmaligem Durchlauf spektral verbreitert. Das optische Bauelement (3, 20) besteht aus photonic-band-gap-material. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das photonic-band-gap-material als Lichtleitfaser (20) ausgebildet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer
Präparate mit einem Scanmikroskop. Im Besonderen betrifft die Erfindung
eine Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem
Scanmikroskop, das einen Laser und ein optisches Mittel umfasst, dass das
von dem Laser erzeugte Licht auf eine zu untersuchende Probe abbildet. Das
Scanmikroskop kann auch als konfokales Mikroskop ausgestaltet sein.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Beleuchtungseinrichtung für ein
Scanmikroskop.
In der Scanmikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl abgerastert.
Hierzu werden oft Laser als Lichtquelle eingesetzt. Aus der EP 0 495 930:
"Konfokales Mikroskopsystem für Mehrfarbenfluoreszenz" ist beispielsweise
ein Anordnung mit einem einzelnen, mehrere Laserlinien emittierenden Laser
bekannt. Derzeit werden hierfür meist Mischgaslaser, insbesondere
ArKr-Laser, eingesetzt.
Im Einsatz sind auch Diodenlaser und Festkörperlaser.
Aus der Patenschrift US-A-5,161,053 mit dem Titel "Confocal Microscope" ist
ein konfokales Mikroskop bekannt, bei dem Licht einer externen Lichtquelle
mit Hilfe einer Glasfaser zum Strahlengang des Mikroskops transportiert wird
und das Ende der Glasfaser als Punktlichtquelle dient, so dass eine
mechanische Blende überflüssig wird.
Das Emissionsspektrum von Lasern ist auf einen schmalen
Wellenlängenbereich eingegrenzt, so dass zur simultanen Mehrlinienanregung
das Licht mehrerer Laser zu einem Beleuchtungsstrahl vereinigt werden
muss.
Die als Mehrlinienlaser meist eingesetzten Gaslaser sind sehr aufwendig und
teuer. Darüber hinaus sind sie sehr wartungsbedürftig, was den Dauereinsatz
bei vielen mikroskopischen Anwendungen erschwert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Scanmikroskop zu schaffen,
das die Probenuntersuchung mit mehreren spektralen Linien ermöglicht, ohne
dabei auf den Einsatz vom Mehrlinienlaser angewiesen zu sein.
Die objektive Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung, die dadurch
gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Laser und dem optischen Mittel ein
optisches Bauelement vorgesehen ist, dass das vom Laser erzeugte Licht bei
einmaligem Durchlauf spektral verbreitert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtungseinrichtung für
ein Scanmikroskop zu schaffen, die weitere spektrale Bereiche zugänglich
macht, die bisher nicht adressierbar waren.
Die objektive Aufgabe wird gelöst durch eine Beleuchtungseinrichtung, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass an der Lichtaustrittsöffnung ein optisches
Bauelement angebracht ist, das aus photonic-band-gap-material besteht.
Das optische Bauelement in der Form eines "photonic-band-gap-material" hat
den Vorteil, dass durch den optisch nichtlinearen Aufbau der Faser ein kurzer
Laserimpuls verbreitert wird und somit ein spektral breites, kontinuierliches
Lichtspektrum entsteht. Bei "Photonic-band-gap-material" handelt es sich um
mikrostrukturiertes durchsichtiges Material. Meist durch Zusammenfügen von
verschiedenen Dielektrika lässt sich dem resultierenden Kristall eine
Bandstruktur für Photonen aufprägen, die an die elektronische Bandstruktur
von Halbleitern erinnert.
Die Technik wird neuerdings auch bei Lichtleitfasern verwirklicht. Die Fasern
werden durch Ausziehen von strukturiert angeordneten Glasrohren hergestellt.
Den Fasern liegt eine besondere Struktur zugrunde: In Faserrichtung sind
kleine Kanülen frei gelassen, die einen Abstand von etwa 2-3 µm und einen
Durchmesser von ca. 1 µm haben und meist mit Luft gefüllt sind. In der Mitte
der Faser liegt keine Kanüle vor. Diese Art von Fasern sind als "photon crystal
fibres", "holey fibers" oder "microstructured fibers" bekannt.
"Photon crystal fibres" können für die Erzeugung einer kontinuierlichen
spektralen Verteilung über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich
eingesetzt werden. Hierzu wird das Licht eines Kurzpulslasers in die Faser
eingekoppelt. Durch den optisch nichtlinearen Aufbau der Faser verbreitert
sich das Frequenzspektrum des Lasers. Es entsteht ein spektral breites,
kontinuierliches Lichtspektrum.
Das optische Bauelement ist in einer bevorzugten Ausgestaltung des
Scanmikroskops aus einer Vielzahl von mikrooptischen Strukturelementen
aufgebaut, die zumindest zwei unterschiedliche optische Dichten aufweisen.
Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das optische
Element einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich beinhaltet, wobei der
erste Bereich eine homogene Struktur aufweist und in dem zweiten Bereich
eine mikroskopische Struktur aus mikrooptischen Strukturelementen gebildet
ist. Von Vorteil ist es außerdem, wenn der erste Bereich den zweiten Bereich
umschließt. Die mikrooptischen Strukturelemente sind vorzugsweise Kanülen,
Stege, Waben, Röhren oder Hohlräume.
Das optische Bauelement besteht in einer anderen Ausgestaltung aus
nebeneinander angeordnetem Glas- oder Kunststoffmaterial und Hohlräumen.
Besonders zu bevorzugen ist die Ausführungsvariante, bei der das optische
Bauelement aus Photonic-Band-Gap-Material besteht und als Lichtleitfaser
ausgestaltet, wobei vorzugsweise eine optische Diode vorgesehen ist, die
eine Rückreflexion des Lichtstrahles unterdrückt des Lasers an den Enden der
Lichtleitfaser.
Eine ganz besonders bevorzugte und einfach zu realisierende
Ausführungsvariante beinhaltet als optisches Bauelement eine herkömmliche
Lichtleitfaser mit einem Faserkern, die zumindest entlang eines Teilstücks
eine Verjüngung aufweist. Lichtleitfasern dieser Art sind als sog. "tapered
fibers" bekannt. Vorzugsweise ist die Lichtleitfaser insgesamt 1 m lang und
weist eine Verjüngung auf einer Länge von 30 mm bis 90 mm auf. Der
Durchmesser der Faser beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltung 150 µm
außerhalb des Bereich der Verjüngung und der des Faserkerns in diesem
Bereich ca. 8 µm. Im Bereich der Verjüngung ist der Durchmesser der Faser
auf ca. 2 µm reduziert. Der Faserkern Durchmesser liegt entsprechend im
Nanometerbereich.
Zum Einsatz in der Mikroskopie ist es wichtig, Mittel zur Wellenlängenauswahl
und zur Lichtleistungsstabilisierung zu implementieren. Daher lässt sich in
vorteilhafter Weise ein solcher Faserlaser mit akusto- oder elektrooptischen,
einstellbaren Filtern (AOTF), mit akusto- oder elektrooptischen Deflektoren
(AOD), akusto- oder elektrooptischen Strahlteilern (AOBS) kombinieren. Diese
können zum einen zur Wellenlängenauswahl als auch zur Ausblendung des
Detektionslichtes verwendet werden (unsere deutsche Anmeldung
DE 199 06 757 A1: "Optische Anordnung").
Insbesondere in der konfokalen Mikroskopie läßt sich das Faseraustrittsende
als Punktlichtquelle nutzen, wodurch die Verwendung einer Anregungsblende
überflüssig wird. Bei einer solchen Ausgestaltung wäre es von besonderem
Vorteil, das Faserende selbst teilreflektierend zu beschichten, so dass dieser
Teilreflektor einen Resonatorendspiegel bildet.
In weiteren Ausführungsformen sind Vorrichtungen zur Kompensation von
Lichtleistungsschwankungen vorgesehen. Beispielsweise kann eine
Regelschleife zur Lichtleistungsstabilisierung eingebaut werden, die parasitär
die Lichtleistung im Strahlengang des Mikroskops misst und beispielsweise
durch Variation der Pumplichtleistung oder mit Hilfe eines akusto- oder
elektrooptischen Elements die Probenbeleuchtungslichtleistung konstant hält.
Zu diesem Zweck könnten auch LCD-Abschwächer verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, wenn die Beleuchtungseinrichtung
bereits entsprechend gestaltet ist, dass sie mehrere spektrale Bereiche zur
Beleuchtung liefert. Der Laser, der die Beleuchtungseinrichtung für ein
Scanmikroskop darstellt, hat an der Lichtaustrittsöffnung ein optisches
Bauelement befestigt. Das optische Bauelement besteht aus
photonic-band-gap-material. Ferner kann das photonic-band-gap-material
als Lichtleitfaser ausgestaltet sein.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und
wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem
Konfokalmikroskop,
Fig. 2 eine Anordnung, bei der auf ein Beleuchtungspinhole
verzichtet wurde,
Fig. 3 eine Anordnung mit Lichtleistungsstabilisierung,
Fig. 4 eine Ausführung des optischen Bauelements,
Fig. 5 eine weitere Ausführung des optischen Bauelements.
Fig. 1 zeigt ein Konfokalmikroskop, das ein optisches Bauelement 3 zur
Aufweitung eines von einem Pulslaser 1 erzeugten Laserimpulses verwendet.
Der Pulslaser 1 definiert einen gepulsten Laserstrahl 2, der durch das optische
Bauelement 3 geleitet wird. Das optische Bauelement 3 ist ein
"photonic-band-gap-material. Aus dem optischen Bauelement 3 tritt ein spektral
breitbandiges Beleuchtungslicht 4 aus, das von einer ersten Optik 5 auf ein
Beleuchtungspinhole 6 abgebildet wird und dann auf einen Strahlteiler 7 trifft.
Vom Strahlteiler 7 gelangt das spektral breitbandige Beleuchtungslicht 4 zu
einer zweiten Optik 8, die einen parallelen Lichtstrahl 4a erzeugt, der auf
einen Scanspiegel 9 trifft. Dem Scanspiegel 9 sind mehrere Optiken 10 und 11
nachgeschaltet, die den Lichtstrahl 4a formen. Der Lichtstrahl 4a gelangt zu
einem Objektiv 12, von dem er auf eine Probe 13 abgebildet wird. Das von der
Probe reflektierte oder ausgesendete Licht definiert einen
Beobachtungsstrahlengang 4b. Das Licht des Beobachtungsstrahlengang 4b
tritt abermals durch die zweite Optik 8 und wird auf ein Detektionspinhole 14
abgebildet, das vor einem Detektor 15 sitzt. Durch das optische Bauelement 3
ist es möglich, das für die Untersuchung der Probe 13 notwendige Laserlicht
entsprechend dem gewünschten Spektrum zu erzeugen.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Konfokalmikroskop,
bei dem auf das Beleuchtungspinhole 6 verzichtet wurde. Alle Elemente, die
mit den Elementen aus Fig. 1 übereinstimmen, sind mit dem gleichen
Bezugszeichen bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist an Stelle der
ersten Optik 5 ein AOTF 16 (acousto optical tunable filter) eingesetzt, der mit
einer entsprechenden AOTF-Ansteuerung 17 verbunden ist. Da das optische
Bauelement 3 ein breitbandiges Beleuchtungslicht 4 erzeugen kann, ist es
notwendig, Mittel zur Wellenlängenauswahl und Lichtleistungsstabilisierung
vorzusehen. In vorteilhafter Weise kann man akusto- oder elektrooptisch
einstellbare Filter (AOTF) mit akusto- oder elektrooptischen Deflektoren (AOD)
und akusto- oder elektrooptischen Strahlteilern (AOBS) kombinieren. Diese
können zum einen zur Wellenlängenauswahl als auch zur Ausblendung des
Detektionslichtes verwendet werden. Dem AOTF 16 ist ferner ein Strahlsumpf
18 zugeordnet, der die nicht verwendeten spektralen Anteile der
Beleuchtungslicht fängt, um unnötige Störungen des Scanmikroskops zu
vermeiden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist an
Stelle des optischen Bauelements 3 eine Lichtleitfaser 20 verwendet, die aus
dem photonic-band-gap-material besteht. Vom Pluslaser 1 wird der gepulste
Laserstrahl 2 über eine Optik 19 in ein Eintrittsende 20a der Lichtleitfaser 20
eingekoppelt. Da die Lichtleitfaser 20 aus dem photonic-band-gap-material
aufgebaut ist, tritt aus einem Austrittsende 20b ein spektral verbreiterter
Laserimpuls aus, der über eine Optik 21 ausgekoppelt wird. Bevor der
spektral verbreiterte Laserimpuls auf das Beleuchtungspinhole 6 trifft, wird
eine spektrale Filterung vorgenommen. Dazu sind mehrere Farbfilter 24 auf
einem Revolver 23 angeordnet. Über einen Motor 22 ist der Revolver 23
drehbar, so dass die entsprechenden Farbfilter 24 in den Strahlengang
eingebracht werden können. Ebenso ist eine lineare Anordnung der Farbfilter
24 denkbar, dabei werden die Farbfilter 24 mittels einer Linearbewegung in
einen Beleuchtungsstrahlengang 50 verfahren. Der Beleuchtungsstrahlengang
50 nach dem Beleuchtungspinhole 6 ist mit dem Strahlengang aus Fig. 1
vergleichbar. Wie bereits in Fig. 1 erwähnt, lenkt der Strahlteiler 7 das Licht
auf den Scanspiegel 9. Ein Teil des Licht tritt durch den Strahlteiler 7 hindurch
und definiert einen Verluststrahlengang 50a. Dieser Anteil des Lichts ist für
die Beobachtung oder Messung verloren. Aus diesem Grunde ist im
Verluststrahlengang 50a ein Detektor 25 vorgesehen, der das Verlustlicht
bestimmt und daraus eine elektronische Größe ermittelt, die mittels einer
Leitung 30 an eine Regelungselektronik 26 geleitet wird. Die
Regelungselektronik 26 ist über eine weitere Leitung 32 mit dem Pulslaser 1
verbunden. Über die Leitung 32 regelt die Regelungselektronik 26 die
Intensität des Pulslasers 1 in der Weise, dass an der Probe 13 immer eine
konstante Lichtleistung auftrifft. Beispielsweise kann eine Regelschleife zur
Lichtleistungsstabilisierung derart vorgesehen sein, dass sie parasitär die
Lichtleistung im Strahlengang des Mikroskops misst und beispielsweise durch
Variation der Pumplichtleistung oder mit Hilfe eines akusto- oder
elektrooptischen Elements die Probenbeleuchtungslichtleistung konstant hält.
Zu diesem Zweck könnten auch LCD-Abschwächer verwendet werden.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Ausführung des optischen Bauelements 3. In
dieser Ausführung besteht das optische Bauelement 3 aus einer
herkömmlichen Lichtleitfaser 51 mit einem Außendurchmesser von 125 µm
und einem Faserkern 52, der einen Durchmesser von 6 µm aufweist. Im
Bereich einer 300 mm langen Verjüngung 53 ist der Aussendurchmesser der
Lichtleitfaser 51 auf 1,8 µm reduziert. In diesem Bereich beträgt der
Durchmesser des Faserkerns 52 nur noch Bruchteile von Mikrometern.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung des optischen Bauelements 3. Dieses besteht
aus Photonic-Band-Gap-Material, die eine besondere wabenförmige
Mikrostruktur 54 aufweist. Die gezeigte Wabenstruktur ist für die Generierung
von breitbandigem Licht besonders geeignet. Der Durchmesser der inneren
Kanüle 55 beträgt ca. 1,9 µm. Die innere Kanüle 55 ist von Glasstegen 56
umgeben. Die Glasstege 56 formen wabenförmige Hohlräume 57. Diese
mikrooptischen Strukturelemente bilden gemeinsam einen zweiten Bereich 58,
der von einem ersten Bereich 59, der Glasmantel ausgeführt ist, umgeben ist.
Die Erfindung wurde in Bezug auf eine besondere Ausführungsform
beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, dass Änderungen und
Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne dabei den Schutzbereich
der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
1
Pulslaser
2
Gepulster Laserstrahl
3
optisches Bauelement
4
Spektral breitbandiges Beleuchtungslicht
4
a Lichtstrahl
4
b Beobachtungsstrahlengang
5
Optik
6
Beleuchtungspinhole
7
Strahlteiler
8
Optik
9
Scanspiegel
10
Optik
11
Optik
12
Objektiv
13
Probe
14
Detektionspinhole
15
Detektor
16
AOTF (acousto optical tunable filter)
17
AOTF-Ansteuerung
18
Strahlsumpf
19
Optik
20
photonic-band-gap-Lichtleitfaser
20
a Eintrittsende
20
b Austrittsende
21
Optik
22
Motor
23
Revolver
24
Farbfilter
25
Detektor
26
Regelungselektronik
30
Leitung
32
Leitung
50
Beleuchtungsstrahlengang
50
a Verluststrahlengang
51
Lichtleitfaser
52
Faserkern
53
Verjüngung
54
Mikrostruktur
55
Kanüle
56
Glasstege
57
Hohlräume
58
zweiter Bereich
59
erster Bereich
Claims (20)
1. Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate
mit einem Scanmikroskop, das einen Laser (1) und ein optisches Mittel (12)
umfasst, dass das von dem Laser (1) erzeugte Licht auf eine zu untersuchende
Probe (13) abbildet, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Laser (1)
und dem optischen Mittel (12) ein optisches Bauelement (3, 20) vorgesehen
ist, dass das vom Laser (1) erzeugte Licht bei einmaligem Durchlauf spektral
verbreitert.
2. Scanmikroskop nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (3, 20) aus
photonic-band-gap-material besteht.
3. Scanmikroskop nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das photonic-band-gap-material als Lichtleitfaser (20)
ausgestaltet ist.
4. Scanmikroskop nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (3, 20) als Lichtleitfaser (23)
ausgeführt ist die eine Verjüngung (53) aufweist.
5. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) ein Pulslaser ist.
6. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass dem optischen Bauelement (3, 20) Mittel (16,
18 und/oder 23, 24) zum Abschwächen und/oder Ausblenden des Lichtes
mindestens einer Wellenlänge oder mindestens eines Wellenlängenbereichs
nachgeordnet sind.
7. Scanmikroskop nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass zum Abschwächen und/oder Ausblenden des Lichtes
mindestens ein spektral selektiver Filter (24) vorgesehen ist.
8. Scanmikroskop nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Filter ein dichroitischer Filter (24) ist.
9. Scanmikroskop nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zum Abschwächen und/oder Ausblenden des Lichtes
ein akustooptischer Filter (16) (AOTF: acousto optical tunable filter)
vorgesehen ist.
10. Scanmikroskop nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zum Abschwächen und/oder Ausblenden des Lichtes
ein akustooptischer Deflektor (AOD: acousto optical deflector) vorgesehen ist.
11. Scanmikroskop nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass zum Abschwächen und/oder Ausblenden des Lichtes
ein LCD-Abschwächer vorgesehen ist.
12. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (25, 26) zur Lichtleistungsstabilisierung
vorgesehen sind.
13. Scanmikroskop nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass zur Lichtleistungsstabilisierung ein Regelkreis
vorgesehen ist.
14. Scanmikroskop nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Scanmikroskop ein Konfokalmikroskop
ist.
15. Scanmikroskop nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, dass das Austrittsende (20b) der Lichtleitfaser (20) als
Beleuchtungsblende dient.
16. Beleuchtungseinrichtung für ein Scanmikroskop mit einem
Laser (1), der eine Lichtaustrittsöffnung umfasst, dadurch gekennzeichnet,
dass an der Lichtaustrittsöffnung ein optisches Bauelement (3, 20) angebracht
ist, das aus photonic-band-gap-material besteht.
17. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das photonic-band-gap-material als Lichtleitfaser (20)
ausgestaltet ist.
18. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das optisches Bauelement (3, 20) als Lichtleitfaser
(20) ausgestaltet ist und eine Verjüngung aufweist.
19. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch
gekennzeichnet, dass das Austrittsende (20b) der Lichtleitfaser (20) als
Beleuchtungsblende dient.
20. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 16
bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) ein Pulslaser ist.
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