DE19633185C2 - Mehrfarbige Punktlichtquelle für ein Laserscanmikroskop - Google Patents
Mehrfarbige Punktlichtquelle für ein LaserscanmikroskopInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine mehrfarbige Punktlichtquelle für ein Laserscanmikroskop,
mit mindestens zwei Lasern unterschiedlicher Wellenlänge, die einen mehrfarbigen
Lichtpunkt auf einer zu untersuchenden Probe erzeugen, der über diese Probe hin
weg gerastert wird, wobei zwischen dem Laserscanmikroskop und den Lasern ein mit
den Lasern optisch verbundener Strahlvereiniger vorgesehen ist, der die Laser
strahlen der Laser koaxial zusammenführt.
Lichtquellen der hier in Rede stehenden Art werden bei Lasernscanmikroskopen,
insbesondere bei der Konfokalmikroskopie, benötigt. Dabei geht es vor allem darum,
im Rahmen einer Mehrfarbanwendung Laser-Licht unterschiedlicher Wellenlänge in
das Mikroskop einzukoppeln. Dies hat unter ganz besonderer Berücksichtigung der
Justierbarkeit des Lasers und unter Berücksichtigung der Stabilität der Justage zu
erfolgen.
Aus der Praxis sind zwei unterschiedliche Ansätze zur Mehrfarbanwendung bei La
serscanmikroskopen bekannt. Im Rahmen einer ersten Alternative wird ein Laser
(ArKr) mit mehreren simultanen Wellenlängen verwendet. Dabei ist systemimmanent,
daß dort alle Laserlinien - per se - aufeinander justiert sind. Die Selektion der Wel
lenlängen sowie die Leistungseinstellung wird dabei durch einen AOTF (Acousto Op
tical Tunable Filter) erreicht. Folglich läßt sich jede Laserlinie unabhängig von den
anderen kontinuierlich in ihrer Leistung auch bis zu sehr niedrigen Leistungen ein
stellen. Die Einkopplung erfolgt jeweils durch eine Single-Mode-Faser. Der Vorteil
der voranstehenden Einkopplungsmöglichkeit liegt in einem kompakten Scanner, in
einer absoluten Justierstabilität sowie in einer Entkopplung der durch die Laserküh
lung verursachten Vibration.
Die voranstehend geschilderten Vorteile bringen jedoch auch ganz erhebliche Nach
teile mit sich. Ein ArKr-Laser umfaßt - wie bereits zuvor erwähnt - mehrere Laserli
nien simultan. Da diese in einem Resonator erzeugt werden, bewirkt dies stets eine
Instabilität der Einzellinien, zumal im Laser nur die Gesamtleistung durch eine Rege
lung konstant gehalten wird. Das hier auftretende Rauschen kann je nach Einstellung
der Gesamtleistung bis zu 10 Prozent "Peak to Peak" betragen und verringert somit
die Bildqualität bezüglich des Signal/Rauschverhältnisses. Im Gegensatz dazu errei
chen Einlinienlaser gerade einmal 1 Prozent Rauschen.
Des weiteren ist das System bei Ausfall des - singulären - Lasers komplett funktions
untüchtig. Die verfügbaren Laserlinien hängen stets vom laseraktiven Gas und des
sen Mischung ab. Da sich diese über die Lebensdauer des Lasers verändert, findet
eine Beeinträchtigung sämtlicher Laserlinien im Zeitverlauf statt. Schließlich sind nur
die Laserlinien der verwendeten Gasmischung verfügbar, so daß hier stets eine
Auswahleinschränkung vorliegt.
Bei einem weiter aus der Praxis bekannten System werden stets mehrere Laser di
rekt in ein Laserscanmikroskop eingekoppelt. Im Falle eines Laserdefekts fällt ledig
lich eine Laserlinie aus. Die anderen Laserlinien bleiben entsprechend der Funktion
dieser Laser verfügbar. Die Laserleistung weist aufgrund des Single-Line-Betriebs
eine hohe Stabilität auf. Single-Line-Laser verfügen über eine höhere Lebensdauer
im Gegensatz zu Lasern mit mehreren Wellenlängen. Die Laserleistung läßt sich für
jede Laserlinie ohne weitere Hilfsmaßnahmen optimal auf die experimentellen Bedin
gungen abstimmen.
Auch die voranstehend genannte Einkopplung mehrerer Laser in ein Laserscanmi
kroskop weist erhebliche Nachteile auf, da nämlich die Laserstrahlen aus den unter
schiedlichen Lasern auf ein und denselben Punkt in genau der gleichen Richtung fo
kussiert bzw. justiert werden müssen. Dabei existieren vier Freiheitsgrade pro Laser.
Erfolgt die Fokussierung bzw. Justierung nicht in hinreichendem Maße, so sind die
mit den unterschiedlichen Laserlinien aufgenommenen Bilder nicht deckungsgleich.
Die Analyse deckungsgleicher Bilder ist aber gerade der Zweck einer Mehrfachanre
gung der hier in Rede stehenden Art.
Ein weiterer Nachteil der Verwendung mehrerer unterschiedlicher Laser ist darin zu
sehen, daß herkömmliche Strahlvereinigungsanordnungen und Justagen häufig
nachjustiert werden müssen. Dieser Vorgang ist äußert kompliziert, da in den her
kömmlichen Anordnungen die verschiedenen Freiheitsgrade der Justierungen nicht
ausreichend voneinander entkoppelt sind.
So führt eine Winkeländerung stets auch zu einer Positionsänderung. Folglich wird
das Justierziel erst nach vielen Justierzyklen erreicht, so daß die Justage wohl kaum
vom Benutzer selbst durchgeführt werden kann. Eine besondere Serviceleistung des
Geräteherstellers ist somit zwingend erforderlich. Schließlich sind mehrere Laser
gemeinsam stets teurer als ein einzelner Laser mit mehreren Wellenlängen.
Aus der DE 43 24 681 A1 ist eine Punktlichtquelle bekannt, die mindestens zwei La
ser unterschiedlicher Wellenlängen vorsieht, die einen mehrfarbigen Lichtpunkt auf
einer zu untersuchenden Probe erzeugen. Dieser Lichtpunkt wird über die Probe ge
rastert. Dabei wird das Laserlicht mittels eines besonderen Verbindungselements,
beispielsweise mittels eines dichroitischen Spiegels, und über eine Linse auf einer
als Lochblende ausgeführten Beleuchtungslochblende abgebildet. Dabei bildet die
Beleuchtungslochblende den Ausgang der Punktlichtquelle.
Aus der EP 0 666 487 A2 ist ein konfokales Laserscanmikroskop bekannt, bei dem
das Laserlicht über einen flexiblen Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Übertragung des
Probenlichts sowie die Einkopplung des Lichts mehrerer Laser unterschiedlicher
Wellenlänge erfolgt ohne die Verwendung eines flexiblen Lichtleiters.
Aus der DE 44 46 185 A1 ist für sich gesehen die Einkopplung des Laserlichts über
einen flexiblen Lichtleiter in ein Laserscanmikroskop bekannt. Die dort erforderliche
Justage ist aufwendig.
Aus der US 5,106,192 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lokalisation von
Objekten in einem großen Entfernungsbereich mit einer hohen Genauigkeit bekannt.
Hierbei wird eine Mehrwellenlängentechnik eingesetzt, die auf der Verwendung
gleichzeitiger Phasenmessungen von interferierender reflektierter und nichtreflek
tierter optischen Strahlung basiert. Bei der hier in Rede stehenden Vorrichtung wer
den Lichtstrahlen verschiedener Laserlichtquellen zusammengeführt.
Die EP 0 363 221 A1 beschreibt eine Laserdioden-Vorrichtung zur Durchführung der
Laser-Photokoagulation der Retina. Bei der aus der EP 0 363 221 A1 bekannten Vor
richtung werden die Laserstrahlen eines HeNe-Lasers und eines Dioden-Lasers ver
einigt.
Aus der EP 0 473 071 B1 ist - ebenfalls für sich gesehen - eine Vorrichtung zum
Zusammenführen von Licht mehrerer Halbleiterlaser bekannt. Die Strahlvereinigung
wird hierbei mit Hilfe von Polarisations-Spiegeln durchgeführt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Punktlichtquelle für ein Laser
scanmikroskop anzugeben, die die Vorteile der zuvor genannten Systeme -
Multilinelaser und mehrere Einlinienlaser - nutzt und deren Justier-Nachteile zumindest wei
testgehend ausschließt.
Die erfindungsgemäße Punktlichtquelle löst die voranstehende Aufgabe durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist eine mehrfarbige Punktlichtquelle für
ein Laserscanmikroskop dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlvereiniger neben
seinen Einkoppelstellen für die Laser mindestens noch eine weitere, relativ zu diesen
Einkoppelstellen lagefeste Einkoppelstelle aufweist, über die ein weiterer Laserstrahl
koaxial einkoppelbar ist, daß der Strahlvereiniger als monolithische Einheit
ausgebildet ist und daß zwischen dem Strahlvereiniger und dem Laserscanmikro
skop ein Lichtleiter vorgesehen ist, der die koaxial zusammengeführte Strahlung aller
Laser zu dem Laserscanmikroskop überführt, wobei die Laserstrahlen auf den Licht
leiter justierbar sind.
Nach der Strahlvereinigung werden die vereinten Laserlinien simultan über eine
Lichtleitfaser zum Mikroskop geführt und dort - wie bei einem Laser mit mehreren si
multan auftretenden Wellenlängen - eingekoppelt. Folglich sind sämtliche Laserlinien
ab der Strahlvereinigung in die Faser automatisch aufeinander justiert. Eine Justage
bzw. Einstellung findet somit ausschließlich in dem Strahlvereiniger statt, der sich als
kompaktes Bauteil realisieren läßt. Eine besondere Justage auf die Einkopplung des
Laserscanmikroskops ist jedenfalls nicht erforderlich.
In besonders vorteilhafter Weise und zur Minimierung des konstruktiven bzw. appa
rativen Aufwandes, insbesondere auch zur optimalen Nutzung des verfügbaren
Raumes, koppelt einer der Laser unmittelbar in den Strahlvereiniger ein. Mit anderen
Worten ist dieser Laser unmittelbar dem Strahlvereiniger zugeordnet. Mindestens ein
weiterer Laser wird über eine Lichtleitfaser in den Strahlvereiniger eingekoppelt, wo
bei es sich hier um eine Single-Mode-Faser handeln kann. Neben dem unmittelbar in
den Strahlvereiniger einkoppelnden Laser können im konkreten und in ganz beson
ders vorteilhafter Weise zwei oder drei weitere Laser jeweils über eine gesonderte
Lichtleitfaser in den Strahlvereiniger einkoppeln. Dabei lassen sich Laserlinien mit
unterschiedlichen Wellenlängen einkoppeln, so daß sich eine Mehrfarbanwendung
ergibt.
Bei dem Strahlvereiniger kann es sich um ein herkömmliches, aus dem Stand der
Technik bekanntes Bauteil bzw. um eine entsprechende Anordnung handeln. So
könnte der Strahlvereiniger als dichroitischer Strahlvereiniger mit Teilerspiegeln un
terschiedlicher Transmissions-/Reflexions-Charakteristiken ausgeführt sein. Jede be
liebige Anordnung zur Strahlvereinigung ist jedenfalls verwendbar, wobei erfindungsgemäß eine mono
lithische Anordnung aus Gründen der Stabilität, der Präzision, der einfacheren Ferti
gung, aber auch aus Gründen eines geringeren Platzbedarfs Verwendung findet. Eine
Austauschbarkeit des Strahlvereinigers gegen geometrisch analoge, physikalisch je
doch andere Einrichtungen zur Strahlvereinigung ist realisierbar.
In ganz besonders vorteilhafter Weise ist der Strahlvereiniger in einem Gehäuse an
geordnet. Der unmittelbar in den Strahlvereiniger einkoppelnde Laser ist gegebe
nenfalls über einen besonderen Adapterkopf am Gehäuse festgelegt bzw. koppelt
unmittelbar am Gehäuse über den Adapterkopf in den Strahlvereiniger ein. Die weite
ren Laser koppeln jeweils über eine Lichtleitfaser in das Gehäuse und somit in den
darin angeordneten Strahlvereiniger und dessen Strahlengang ein.
Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Metall hergestellt. Eine Fertigung aus Kunststoff
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich das Gehäuse spritzgußtechnisch her
stellen läßt.
Zur Auswahl und individuellen Einstellung der Linienleistung ist dem Strahlvereiniger
in weiter vorteilhafter Weise ein AOTF (Acousto Optical Tunable Filter) nachge
schaltet. Dieser AOTF ist zum Erhalt eines kompakten Moduls ebenfalls innerhalb
des Gehäuses angeordnet. Mit Hilfe des AOTF lassen sich unter anderem auch et
waige Einkopplungsverluste kompensieren.
Dem Strahlvereiniger kann des weiteren ein AOM (Acousto Optical Modulator) nach
geschaltet sein, der zur Strahlmodulation und schnellen Strahlabschaltung dient.
Auch hier bietet sich die Anordnung innerhalb des Gehäuses an, zumal sich dadurch
ein kompaktes Modul insgesamt realisieren läßt.
Schließlich ist es hinsichtlich der beanspruchten Punktlichtquelle von ganz beson
derem Vorteil, wenn die vom Strahlvereiniger zum Mikroskop führende Lichtleitfaser,
d. h. der Faserkoppler, als Single-Mode-Faser ausgeführt ist. Dadurch wird erreicht,
daß sich kleinere Dejustagen lediglich durch geringe Einkopplungsverluste in die Fa
ser auswirken. Wie bereits zuvor erwähnt, lassen sich diese geringen Einkopplungs
verluste und damit verbundene Veränderungen der Linienleistungsverhältnisse durch
Verwendung eines AOTF kompensieren.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in
vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die
dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die
nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der
Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltun
gen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
In der Zeichnung zeigt
die einzige Figur eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Punktlichtquelle mit insgesamt vier Lasern.
Das in der einzigen Figur dargestellte Modul läßt sich insgesamt als Punktlichtquelle
für ein Laserscanmikroskop bzw. für ein Konfokalmikroskop definieren, wobei hier
insgesamt vier Laser 1, 2, 3, 4 vorgesehen sind. Die Laser 1, 2, 3, 4 weisen unter
schiedliche Wellenlängen auf.
Erfindungsgemäß ist ein Strahlvereiniger 5 vorgesehen, in den die Laser 1, 2, 3, 4
mit ihren Laserstrahlen einkoppeln. Die entsprechenden Einkoppelstellen sind die
Schnittpunkte der in der Figur gezeigten gestrichelten Linien. Die "optische
Ankopplung" aller Laser 1, 2, 3, 4 an ein nachgeschaltetes AOTF (Acousto Optical
Tunable Filter) 11 erfolgt ausschließlich über den unteren Tellerspiegel des
Strahlvereinigers 5. Vom Strahlvereiniger 5 führt ein gemeinsamer Strahlengang
durch den AOTF 11 und ein AOM (Acousto Optical Modulator) 13 über eine
Lichtleitfaser 6 zu dem in der Figur lediglich angedeuteten Laserscanmikroskop 7.
Die einzige Figur zeigt besonders deutlich, daß einer der Laser, nämlich der mit dem
Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Laser, unmittelbar in den Strahlvereiniger 5 ein
koppelt. Die anderen Laser 1, 2 und 3 koppeln jeweils über eine Lichtleitfaser 8 in
den Strahlvereiniger 5 ein.
Der Strahlvereiniger 5 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet. Entsprechend ist der un
mittelbar in den Strahlvereiniger 5 einkoppelnde Laser 4 direkt mit dem Gehäuse 9
verbunden. Ein entsprechender Adapterkopf ist hier der Einfachheit halber nicht dar
gestellt.
Die weiteren Laser 1, 2 und 3 führen über die Lichtleitfasern 8 durch die Gehäuse
wandung hindurch bzw. durch entsprechende Anschlüsse 10 in das Gehäuseinnere,
wobei dort eine Einkopplung in den Strahlvereiniger 5 stattfindet.
Wie bereits zuvor erwähnt, ist gemäß einziger Figur dem Strahlvereiniger 5 innerhalb
des Gehäuses 9 ein AOTF (Acousto Optical Tunable Filter) 11 nachgeschaltet, wobei
dieser AOTF 11 zur Auswahl und individuellen Einstellung der Linienleistung dient.
Dem AOTF 11 ist wiederum ein AOM (Acousto Optical Modulator) 13 nachgeschal
tet, der zur Strahlmodulation und schnellen Strahlabschaltung dient. Von dort aus
führt die als Single-Mode-Faser ausgeführte Lichtleitfaser 6 über einen entsprechen
den Anschluß 12 zum Laserscanmikroskop 7, um dort den Laserstrahl mit mehreren
Wellenlängen bzw. mehreren Laserlinien im Sinne einer Lichtpunktquelle einzukop
peln.
Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wieder
holungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
Schließlich sei ganz besonders darauf hingewiesen, daß das voranstehend erörtete
Ausführungsbeispiel lediglich der Erörterung der hier beanspruchten Lehre dient,
diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
Claims (11)
1. Mehrfarbige Punktlichtquelle für ein Laserscanmikroskop, mit mindestens zwei
Lasern (1, 2, 3, 4) unterschiedlicher Wellenlänge, die einen mehrfarbigen Lichtpunkt
auf einer zu untersuchenden Probe erzeugen, der über diese Probe hinweg gerastert
wird, wobei zwischen dem Laserscanmikroskop (7) und den Lasern (1, 2, 3, 4) ein
mit den Lasern (1, 2, 3, 4) optisch verbundener Strahlvereiniger (5) vorgesehen ist,
der die Laserstrahlen der Laser (1, 2, 3, 4) koaxial zusammenführt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlvereiniger (5) neben seinen Ein
koppelstellen für die Laser (1, 2, 3, 4) mindestens noch eine weitere, relativ zu
diesen Einkoppelstellen lagefeste Einkoppelstelle aufweist, über die ein weiterer
Laserstrahl koaxial einkoppelbar ist, daß der Strahlvereiniger (5) als monolithische
Einheit ausgebildet ist und daß zwischen dem Strahlvereiniger (5) und dem Laser
scanmikroskop (7) ein Lichtleiter (6) vorgesehen ist, der die koaxial zusammenge
führte Strahlung aller Laser (1, 2, 3, 4) zu dem Laserscanmikroskop (7) überführt,
wobei die Laserstrahlen auf den Lichtleiter (6) justierbar sind.
2. Punktlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der La
ser (4) unmittelbar und mindestens ein weiterer Laser (1; 2; 3) über
eine Lichtleitfaser (8) in den Strahlvereiniger (5) einkoppeln.
3. Punktlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der La
ser (4) unmittelbar und zwei weitere Laser (1, 2; 1, 3; 2, 3) jeweils über
eine Lichtleitfaser (8) in den Strahlvereiniger (5) einkoppeln.
4. Punktlichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der La
ser (4) unmittelbar und drei weitere Laser (1, 2, 3) jeweils über eine Lichtleitfaser (8)
in den Strahlvereiniger (5) einkoppeln.
5. Punktlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlvereiniger (5) als dichroitischer Strahlvereiniger ausgeführt ist.
6. Punktlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlvereiniger (5) in einem Gehäuse (9) angeordnet ist und daß der un
mittelbar in den Strahlvereiniger (5) einkoppelnde Laser (4) über einen Adapter
kopf am Gehäuse (9) festgelegt ist.
7. Punktlichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(9) aus Metall hergestellt ist.
8. Punktlichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(9) aus Kunststoff hergestellt ist.
9. Punktlichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Strahlvereiniger (5) vorzugsweise innerhalb des Gehäuses (9) ein AOTF
(Acousto Optical Tunable Filter) (11) zur Auswahl und individuellen Einstellung der
Linienleistung nachgeschaltet ist.
10. Punktlichtquelle nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Strahlvereiniger (5) vorzugsweise innerhalb des Gehäuses (9) ein AOM
(Acousto Optical Modulator) (13) zur Strahlmodulation und schnellen Strahlabschal
tung nachgeschaltet ist.
11. Punktlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die vom Strahlvereiniger (5) zum Mikroskop (7) führende Lichtleitfaser (6) als
Single-Mode-Faser ausgeführt ist.
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