DE19827140A1 - Laser-Scanning-Mikroskop mit AOTF - Google Patents
Laser-Scanning-Mikroskop mit AOTFInfo
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Abstract
Laser-Scanning-Mikroskop mit einem AOTF im Laser-Einkopplungsstrahlengang, wobei in der Umgebung des AOTF oder in dessen Nähe oder mit diesem verbunden ein Temperaturfühler vorgesehen ist, DOLLAR A und eine Heizung oder Kühlung des AOTF und/oder seiner Umgebung erfolgt.
Description
Es ist bereits bekannt, in einem Laser-Scanning-Mikroskop Laser unterschiedlicher
Wellenlängen über Strahlteiler zusammenzuführen und über einen AOTF mit einem über
Brechungsindexvariation realisierten Gitter, dessen Gitterkonstante entsprechend seiner
hochfrequenten Ansteuerung variabel ist, in eine Lichtleitfaser einzukoppeln.
Die durch den AOTF in erster Ordnung gebeugte Wellenlänge sowie die Intensität werden
durch Ansteuerung des AOTF eingestellt, die Intensität über die Amplitude der Schallwelle
und die Wellenlänge über die Frequenz der Schallwelle.
Die Verwendung von Akustoptik zur Linienselektion und Abschwächung von Laserlinien in
einem modularen Aufbau hat den Nachteil, daß die Transmissionseigenschaften der
Akustoptischen Einheit stark temperaturabhängig sind.
Dies ist dadurch zu erklären, daß es mit Änderung der Temperatur zu einer
Änderung der Schallgeschwindigkeit im Kristallmaterial kommt, die sich indirekt in einer
Abweichung von der optimalen Frequenz und damit in einer Abnahme der
Beugungseffizienz bemerkbar macht. Eine Frequenzverschiebung von ca. 16 KHz/°C wurde
ermittelt.
Das führt zu Intensitätsverlusten und zu möglichen Intensitätsmodulationen im gescannten
Bild.
Wurde der AOTF beispielsweise auf 21°C abgestimmt, fällt bei einem Temperaturwechsel
von 21°C auf 35°C die transmittierte Leistung ohne Korrekturmaßnahmen auf ca. 5% des
Ausgangswertes ab. Selbst bei einer Temperaturänderung von nur 4°C kommt es zu
einem Leistungsabfall um ca. 50%.
Eine akzeptable Performance des Laser-Scanning-Mikroskopes ist nur zu gewährleisten,
wenn die Temperaturschwankungen auf +/- 1°C eingegrenzt werden können.
Dies ist jedoch in der Praxis durch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Laser-
Scanning-Mikroskopes kaum möglich.
Raumtemperaturen < 30°C werden darüber hinaus in vielen Labors schnell erreicht.
Die Erfindung hat daher die Aufgabe, trotz ungewisser und nicht konstanter
Aufstellbedingungen des LSM die Stabilität der Laserleistung für alle benötigten
Wellenlängen in ultravioletten (351 nm, 364 nm) und sichtbaren Spektralbereich (450 nm-
650 nm) zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vorteilhaft kann die AOTF Frequenz über die Ansteuerung des AOTF durch eine
Treiberschnittstelle in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert werden.
Die Temperaturerfassung kann hierzu in unmittelbarer Nähe des AOTF, beispielsweise
direkt an seinem Gehäuse erfolgen.
Falls eine Temperaturabweichung von größer +/- 1°C von einem vorgegebenen
Referenzwert festgestellt wird, erfolgt eine automatische Frequenznachstellung innerhalb
eines vorgegebenen Frequenzfensters, vorzugsweise +/- 200 KHz um die bei dem
Referenzwert(Temperatur) festgelegte Frequenz Die Frequenz kann auch anhand vorher
aufgenommener und tabellarisch abgespeicherter temperaturabhängiger Frequenzwerte
eingestellt werden.
Die Temperaturabweichung kann auch durch eine Intensitätserhöhung ausgeglichen
werden, die den Effizienzverlust des AOTF ausgleicht.
Das dargestellte LSM realisiert auf dem VIS Lasermodul im Extremfall die Vereinigung von
einem Ar Laser (458 nm, 488 nm, 514 nm) bzw. ArKr Laser (488 nm, 568 nm) mit jeweils zwei
HeNe-Lasern. Die Laserlinien werden über Dichroite und Spiegel auf eine gemeinsame
Achse vereinigt, in einem AOTF selektiert und die erste Beugungsordnung des VIS AOTF
wird in eine Single Mode Faser gekoppelt. Auf dem UV Lasermodul erfolgt die Selektion der
Laserlinien 351 nm und 364 nm über einen UV-AOTF; die erste Beugungsordnung wird
ebenfalls in eine Single Mode Faser eingekoppelt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: Den Strahlengang eines Laser-Scanning-Mikroskopes;
Fig. 2: Den beheizbaren AOTF in einem seitlichen Teilschnitt und in räumlicher Darstellung.
In Fig. 1 sind schematisch eine Mikroskopeinheit M und ein Scankopf S dargestellt, die
eine gemeinsame optische Schnittstelle über eine Zwischenabbildung Z gemäß Fig. 2
ausweisen.
Der Scankopf S kann sowohl an den Phototubus eines aufrechten Mikroskopes sowie
auch an einen seitlichen Ausgang eines inversen Mikroskopes.
In Fig. 1 ist ein zwischen Auflichtscan und Durchlichtscan mitttels eines schwenkbaren
Spiegels 14 umschaltbarer mikroskopischer Strahlengang dargestellt,
mit Lichtquelle 1, Beleuchtungsoptik 2, Strahlteiler 3, Objektiv 4, Probe 5, Kondensor 5,
Lichtquelle 7, Empfängeranordnung 8, einer ersten Tubuslinse 9, einem
Beobachtungsstrahlengang mit einer zweiten Tubuslinse 10 und einem Okular 11 sowie
einem Strahlteiler zur Einkopplung des Scanstrahls dargestellt.
Ein Lasermodul 13.1, 13.2 nimmt die Laser auf und ist über Monomode - Lichtleitfasern
14.1, 14.2 mit der Lasereinkoppeleinheit des Scankopfes S verbunden.
Die Einkopplung der Lichtleitfasern 14.1, 14.2 erfolgt mittels einer verschieblichen
Kollimationsoptik 16, auf die noch näher eingegangen wird, sowie Strahlumlenkelementen
17.1, 17.2.
Mittels eines teildurchlässigen Spiegels 18 wird ein Überwachungsstrahlengang in
Richtung einer Monitordiode 19, der, vorteilhaft auf einem nicht dargestellten drehbaren
Filterrad Linienfilter 21 sowie Neutralfilter 20 vorgeordnet sind, ausgeblendet.
Die eigentliche Scaneinheit besteht aus Scanningobjektiv 22, Scanner 23,
Hauptstrahlteiler 24 und einer gemeinsamen Abbildungsoptik 25 für Detektionskanäle
26.1-26.4.
Ein Umlenkprisma 27 hinter der Abbildungsoptik 25 spiegelt die vom Objekt 5 kommende
Strahlung in Richtung dichroitischer Strahlteiler 28 im konvergenten Strahlengang der
Abbildungsoptik 25, denen in Richtung und senkrecht zur optischen Achse verstellbare
und in ihrem Durchmesser veränderbare Pinholes 29, individuell für jeden Detektionskanal
sowie Emissionsfilter 30 und
geeignete Empfängerelemente 31 (PMT) nachgeordnet sind.
Die Strahlteiler 27, 28 können vorteilhaft, wie in Fig. 5 schematisch dargestellt, als
Teilerrad mit mehreren Positionen, motorisch durch Schrittmotoren umschaltbar,
ausgebildet sein.
Vorteilhaft erfolgt eine Einkopplung von UV-Strahlung in Glasfaser 14.1, vorzugsweise
einer Single-Mode-Glasfaser mittels eines AOTF, als Strahlablenker, d. h. wenn der
Strahl nicht auf den Fasereingang fallen soll, wird er mittels des AOTF vom Fasereingang,
beispielsweise in Richtung einer nicht dargestellten Lichtfalle, abgelenkt.
Die Einkoppeloptik 33 zur Einkopplung der Laserstrahlung weist zur Einkopplung nicht
dargestellte Linsensysteme auf, deren Brennweite durch den Strahlquerschnitt der Laser
und die für die optimale Einkopplung erforderliche numerische Apertur festgelegt ist.
Im Lasermodul 13.2, sind Einzel- und Multiwellenlängenlaser vorgesehen, die einzeln
oder gemeinsam über einen AOTF in eine oder mehrere Fasern eingekoppelt werden.
Weiterhin kann die Einkopplung auch über mehrere Fasern gleichzeitig erfolgen, deren
Strahlung mikroskopseitig nach Durchlaufen einer Anpaßoptik durch Farbvereiniger
gemischt wird.
Auch die Mischung der Strahlung verschiedener Laser am Fasereingang ist möglich
und kann anhand der schematisch dargestellten, auswechselbarer und schaltbarer
Tellerspiegel 39 erfolgen.
Die aus dem Faserende der Fasern 14.1,2 an der Scaneinheit s austretende
Laserstrahlung wird mittels der Kollimationsoptik 16 auf einen Unendlichstrahl kollimiert.
Das erfolgt vorteilhaft mit einer einzelnen Linse, die durch Verschiebung entlang der
optischen Achse mittels einer über eine zentrale Ansteuereinheit 34 ansteuerbare
Steuereinheit 37 eine Fokussierungsfunktion hat, indem ihr Abstand zum Ende der
Lichtleitfaser 14.1,2 an der Scaneinheit erfindungsgemäß veränderbar ist.
Die Monitordiode 19, die auch, hier nicht dargestellt, eine vorgesetzte Fokussierlinse
aufweisen kann, wirkt in Verbindung mit einem linien- oder bereichsselektiven Filterrad
oder Filterschieber 21, angesteuert von einer Steuereinheit 36, zur permanenten
Überwachung der in das Scanmodul eingekoppelten Laserstrahlung, insbesondere um die
Leistung in einer bestimmten Laserlinie isoliert zu kontrollieren und gegebenenfalls über
den AOTF 32 mittels eines Regelsignales der Ansteuereinheit 34 zu stabilisieren.
Die Detektion mittels der Monitordiode 19 erfaßt das Laserrauschen und Variationen
aufgrund des mechanisch-optischen Übertragungssystems.
Aus der detektierten momentanen Laserleistung kann dabei ein Fehlersignal abgeleitet
werden, das on-line direkt auf den Laser oder einen dem Laser nachgeschalteten
Intensitätsmodulator (ASOM, AOTF, EOM, Shutter) zwecks der Stabilisierung der in das
Scanmodul eingestrahlten Laserleistung zurückwirkt.
Durch die Ansteuerung der Filtereinheit 21 kann somit eine wellenlängenweise
Stabilisierung der Intensität und Laserleistungskontrolle erfolgen.
Durch eine Verbindung zur Detektion 31 (PMT) und jeweils zur zentralen Ansteuereinheit
kann durch Bildung von Signalquotienen / oder Signalsubtraktion des Detektionssignales
und des Monitorsignales der Diode 19 eine Rauschverminderung bewirkt werden, indem
das entsprechende Sensorsignal eines Detektionskanels pixelweise als Pixel-
Bildinformation auf das Signal der Monitordiode normiert wird (z. B. Division), um auf diese
Weise Intensitätsfluktuationen im Bild zu verringern.
Unmittelbar am AOTF ist ein Temperaturfühler TF befestigt, der die Umgebungstemperatur
des jeweiligen AOTF erfaßt.
Diese wird zur Ansteuereinheit 34 übermittelt, die einen Rechner enthält, der anhand vorher
eingespeicherter Korrekturkurven und einen RS 232-Treiberschaltkreis die AOTF-
Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur in einem vorgegebenen Frequenzfenster
einstellt und optimiert, das heißt, die durch die Temperaturabweichung aufgetretene
Frequenzverschiebung durch Frequenzerhöhung oder Verringerung ausgleicht.
Dieser Ausgleich kann aber auch automatisch anhand des von der Diode 19
aufgenommenen und an die Ansteuereinheit übermittelten Intensitätswertes der
Laserstrahlung erfolgen, indem die Diode 19 mit der Auswerteeinheit verbunden ist und der
AOTF-Treiber die Frequenz anhand des aufgenommenen Intensitätssignales der Diode 19
nachstellt, indem die Frequenz vorzugsweise um +/- 200 KHZ variiert wird, bis ein
maximales Signal erreicht ist.
Weiterhin besteht eine vorteilhafte Lösung darin, für den AOTF eine separate Heizung
oder Kühlung vorzusehen.
Besonders vorteilhaft wird der Kristall auf einen Bereich größer 35°C, beispielsweise
40°C geheizt und innerhalb eines vorgegebenen Fensters konstant gehalten.
Die Laserleistung in der ersten Beugungsordnung bleibt dann über den gesamten
Temperaturbereich von beispielsweise 15°C-35°C innerhalb enger Grenzen konstant.
Ein Beispiel einer stabilen Temperaturregelung, deren Regelungsschwankungen keine für
die LaserScanMikroskopie nachteiligen Effekte zeigen, zeigt Fig. 2.
Auf einem Gehäuseteil G, das Zuführungen Z zur Spannungsversorgung des AOTF
aufweist, ist der TeO2-Kristall des AOTF angebracht, wobei die durchgehende
Laserstrahlung schematisch angedeutet ist.
Zwischen dem Gehäuse G und dem TeO2-Kristall befindet sich eine elektrisch beheizbare
oder kühlbare Platte P, deren Stromversorgung ST beispielsweise wie dargestellt auf der
Außenseite des Gehäuses angebracht sein kann.
Die Stromversorgung ST ist mit einer Regelung verbunden, die mit einem Temperaturfühler
verbunden ist, der direkt am TeO2 Kristall oder an der Stromversorgung ST angeordnet
sein kann.
Die Regelung kann Teil der Stromversorgung ST sein, aber auch über die Ansteuereinheit
34 erfolgen.
Der Temperaturfühler TF kann auch, wie in Fig. 1 bereits dargestellt, am Gehäuse
angebracht sein und mit der Auswerteeinheit 34 verbunden sein, die die
Temperaturänderung erfaßt und den AOTF entsprechend ansteuert.
Claims (8)
1. Laser Scanning-Mikroskop mit einem AOTF im Laser-Einkopplungsstrahlengang,
wobei in der Umgebung des AOTF oder in dessen Nähe oder mit diesem verbunden ein
Temperaturfühler vorgesehen ist.
2. Laser-Scanning-Mikroskop mit einem AOTF im Laser-Einkopplungsstrahlengang, wobei
eine Heizung oder Kühlung des AOTF und/ oder seiner Umgebung erfolgt.
3. Laser-Scanning-Mikroskop nach Anspruch 2, wobei die Heizung oder Kühlung auf einen
konstanten Wert geregelt erfolgt.
4. Laser-Scanning-Mikroskop nach Anspruch 3, wobei die Heizung auf einen Wert oberhalb
erwarteter Laborbedingungen erfolgt.
5. Laser-Scanning-Mikroskop nach Anspruch 4, wobei der Wert oberhalb 35 Grad Celsius
liegt.
6. Laser-Scanning-Mikroskop nach einem der Ansprüche 2-5, wobei in der Umgebung des
AOTF oder in dessen Nähe oder mit diesem verbunden ein Temperaturfühler vorgesehen
ist.
7. Laser-Scanning-Mikroskop nach einem der Ansprüche 2-6, wobei der Temperaturfühler
zur Regelung der Temperatur mit der Heizung oder Kühlung über eine elektronische
Steuerung verbunden ist.
8. Laser-Scanning-Mikroskop nach Anspruch 1, wobei der Temperaturfühler mit einer
Ansteuereinheit für den AOTF verbunden ist.
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