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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft ein Bildaufnahmesystem, das einen schlitzförmigen Lichtfluss
auf eine Probe projiziert, und den Lichtfluss erfasst, der von der
Probe gemäß dem Einfallen
des genannten schlitzförmigen
Lichtflusses abgestrahlt wird.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Eine
Einrichtung des Stands der Technik zum Erzielen von Bildern mit
Wellenlängenauflösung ist
in der Patentschrift Nr. 2,558,864 des vorliegenden Anmelders beschrieben.
Mit dieser Einrichtung wird eine Probe gleichförmig von der Rückseite
her beleuchtet, und ein Bild des durchgelassenen Lichtes, das durch
die Probe hindurchgetreten ist, wird auf einer Schlitzplatte gebildet;
ein Galvanospiegel wird dazu benutzt, das durchgelassene Bild abzutasten,
das auf die Schlitzplatte projiziert wird, und auf diese Weise ein
Schlitzbild auszuschneiden, wobei dieses Schlitzbild einer spektralen
Auflösung
unterzogen wird, und spektral aufgelöste Bilder von einer TV-Kamera
erfasst werden. Die von der TV-Kamera erfassten Bilder werden entsprechend
der Wellenlänge
als Abtastbilder zusammengesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der beschriebenen Einrichtung des Stands der Technik weist das Schlitzbild
jedoch eine geringe Leuchtdichte auf, da ein Schlitzbild ausgeschnitten
wird, indem ein Bild aus durchgelassenem Licht auf eine Schlitzplatte
projiziert wird. Es besteht daher Bedarf an einer Erhöhung der Detektionsgenauigkeit
des Bildes, das auf die Bildaufnahmefläche der TV-Kamera projiziert
wird.
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Wenn
ein Fluoreszenzbild usw. einer Halbleiter- oder biologischen Probe
usw. erfasst werden soll, wird eine Probe mit einem Erregungslicht
beleuchtet, wobei dann dieses Erregungslicht und die Fluoreszenz,
die sich aus dem Erregungslicht ergibt, voneinander getrennt werden
müssen.
Auch in solchen Fällen
ist eine erhöhte
Leuchtdichte wünschenswert. Diese
Erfindung wurde unter Berücksichtigung
solcher Vorgaben getätigt,
und es ist eine Aufgabe derselben, ein Bildaufnahmesystem bereitzustellen,
mit dem die Genauigkeit der Detektion des Lichtflusses, der von
einer Probe abgestrahlt wird, erhöht werden kann.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
stellt die vorliegende Erfindung ein Bildaufnahmesystem gemäß Anspruch
1 bereit.
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Da
der Lichtfluss, der von der Lichtquelle abgestrahlt wird, durch
die zylindrische Linse in eine Richtung konvergiert wird, und dieser
Lichtfluss in einen schlitzförmigen
Lichtfluss umgewandelt wird, wenn er durch die Objektivlinse tritt,
wird mit Hilfe dieses Systems die Abschwächung der Stärke des Lichtflusses
gegenüber
dem Stand der Technik verringert, der eine Schlitzplatte benutzt,
und da ein Galvanospiegel an der Konvergenzposition der zylindrischen
Linse angeordnet ist, kann der schlitzförmige Lichtfluss die Probe
durch Verschwenken des Galvanospiegels abtasten.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist
ein Systemblockdiagramm eines Bildaufnahmesystems.
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2A ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems von einem Bildaufnahmesystem
eines Typs, mit dem eine zeitliche Auflösung eines schlitzförmigen Lichtflusses
durchgeführt
wird.
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2B ist
eine Darstellung, die die Querschnittform eines Lichtflusses unmittelbar
nach seiner Abstrahlung von einer Laserlichtquelle 1 zeigt.
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2C ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach seiner Reflexion durch einen Spiegel M1 zeigt.
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2D ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach seinem Austreten aus einem Strahlaufweiter BE zeigt.
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2E ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der unmittelbar nach seinem Austreten aus einer zylinderförmigen Linse
CL auf einen dichroitischen Spiegel DC eingefallen gelassen wird.
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2F ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses an einem
Galvanospiegel 3 zeigt.
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2G ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses an einer
Linse L zeigt.
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2H ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach dem Austreten aus der Linse L zeigt.
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2I ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses an einer
Objektivlinse OL zeigt.
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2J ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der aus der Objektivlinse OL ausgetreten ist, und auf eine Probe
S projiziert wird.
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2K ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der von der Probe S abgestrahlt wird.
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2L ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des modifizierten Lichtflusses
zeigt, unmittelbar nachdem der Lichtfluss, der von der Probe S abgestrahlt
wurde, in umgekehrter Richtung durch die Objektivlinse OL hindurchgetreten
ist.
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2M ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach dem Durchtreten der Objektivlinse OL in umgekehrter Richtung
zeigt.
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2N ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der in umgekehrter Richtung durch die Linse L hindurchgetreten ist.
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2O ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der aus der umgekehrten Richtung auf einen Galvanospiegel 3a einfallen
gelassen wird.
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2P ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der aus der umgekehrten Richtung auf den dichroitischen Spiegel
DC fällt.
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2Q ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der auf eine Schmierbildröhre
ST einfallen gelassen wird.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Bildaufnahmesystems, das durch
Integrieren des optischen Systems aus 2A in
einer Einrichtung für den
praktischen Einsatz erzielt wurde.
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4A ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems, angewandt
auf ein Bildaufnahmesystem.
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4B ist
eine Darstellung, die die Querschnittform eines Lichtflusses unmittelbar
nach seiner Abstrahlung von einer Laserlichtquelle 1 zeigt.
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4C ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach seiner Reflexion durch den Spiegel M1 zeigt.
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4D ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach seinem Austreten aus einem Strahlaufweiter BE zeigt.
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4E ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der unmittelbar nach seinem Austreten aus einer zylindrischen Linse CL
auf einen dichroitischen Spiegel DC fällt.
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4F ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses an einem
Galvanospiegel 3 zeigt.
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4G ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses an einer
Linse L zeigt.
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4H ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach dem Austreten aus der Linse L zeigt.
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4I ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses an einer
Objektivlinse OL zeigt.
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4J ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der aus der Objektivlinse OL ausgetreten ist, und auf eine Probe
S projiziert wird.
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4K ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der von der Probe S abgestrahlt wird.
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4L ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des modifizierten Lichtflusses
zeigt, unmittelbar nachdem der Lichtfluss, der von der Probe S abgestrahlt
wurde, in umgekehrter Richtung durch die Objektivlinse hindurchgetreten
ist.
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4M ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses unmittelbar
nach dem Durchtreten der Objektivlinse OL in umgekehrter Richtung
zeigt.
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4N ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der in umgekehrter Richtung durch die Linse L hindurchgetreten ist.
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4O ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der aus der umgekehrten Richtung auf den Galvanospiegel 3 einfallen gelassen
wird.
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4P ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der aus der umgekehrten Richtung auf den dichroitischen Spiegel
DC einfallen gelassen wird.
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4Q ist
eine Darstellung, die die Querschnittform des Lichtflusses zeigt,
der auf eine Bildaufnahmefläche
einer Kamera 7 einfallen gelassen wird.
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5A, 5B, 5C, 5D und 5E sind
erläuternde
Darstellungen, die Bilder auf der Bildaufnahmefläche der TV-Kamera 7 für die Zeitpunkte
t = 1, 2, 3, 4 und 5 zeigen.
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6A, 6B, 6C, 6D und 6E sind
Graphen, die die spektrale Verteilung zeigen, die jeweils durch
Integration des schlitzförmigen
Lichtflusses in der Y-Richtung für
die Zeitpunkte t = 1, 2, 3, 4 und 5 erzielt wurde.
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7A, 7B, 7C, 7D und 7E sind
erläuternde
Darstellungen, die Abtastbilder zeigen, die für λ = 1, 2, 3, 4, 5 und 6 zusammengestellt
wurden.
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8A, 8B, 8C und 8D und sind
erläuternde
Darstellungen, die Bilder auf der Bildaufnahmefläche der TV-Kamera 7 für die Positionen
Y = 1, 2, 3 und 4 zeigen.
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9A, 9B, 9C und 9D sind Graphen,
die jeweils die spektrale Verteilung des schlitzförmigen Lichtflusses
für die
Positionen Y = 1, 2, 3, und 4 zeigen.
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10 ist
ein Graph, der die integrierte spektrale Verteilung des gesamten
beobachteten Bereichs der Probe zeigt.
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11A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen
Systems eines abgewandelten Beispiels für ein optisches System, angewandt
auf ein Bildaufnahmesystem.
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11B ist eine Darstellung, die die Querschnittform
eines Lichtflusses unmittelbar nach seiner Abstrahlung von einem
Laser zeigt.
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11C ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses unmittelbar nach seiner Reflexion durch den Spiegel
M1 zeigt.
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11D ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses unmittelbar nach seinem Austreten aus einem Strahlaufweiter
BE zeigt.
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11E ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der unmittelbar nach seinem Austreten aus
einer zylindrischen Linse CL auf einen dichroitischen Spiegel DC
einfallen gelassen wird.
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11F ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses an einem Galvanospiegel 3 zeigt.
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11G ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses an einer Linse L zeigt.
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11H ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses unmittelbar nach dem Austreten aus der Linse L
zeigt.
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11I ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses an einer Objektivlinse OL zeigt.
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11J ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der aus der Objektivlinse OL ausgetreten
ist, und auf eine Probe S projiziert wird.
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11K ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der von der Probe S abgestrahlt wird.
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11L ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des modifizierten Lichtflusses zeigt, unmittelbar nachdem der Lichtfluss,
der von der Probe S abgestrahlt wurde, in umgekehrter Richtung durch die
Objektivlinse OL hindurchgetreten ist.
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11M ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses unmittelbar nach dem Durchtreten der Objektivlinse
OL in umgekehrter Richtung zeigt.
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11N ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der in umgekehrter Richtung durch die Linse
L hindurchgetreten ist.
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11O ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der aus der umgekehrten Richtung auf den
Galvanospiegel 3 einfallen gelassen wird.
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11P ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der aus der umgekehrten Richtung auf den
dichroitischen Spiegel DC einfallen gelassen wird.
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11Q ist eine Darstellung, die die Querschnittform
des Lichtflusses zeigt, der auf eine Bildaufnahmefläche einer
Kamera 7 einfallen gelassen wird.
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Beste Art(en) der Ausführung der Erfindung
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Im
Folgenden sollen auf Grundlage der Figuren Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben werden. Bei der Beschreibung der Figuren sind gleiche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei auf redundante
Erläuterungen
verzichtet wird.
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Es
sollen nun Bildaufnahmesysteme der Ausführungsformen beschrieben werden.
Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, und auf
redundante Erläuterungen
wird verzichtet.
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Erste Ausführungsform
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1 ist
ein Systemblockdiagramm eines Bildaufnahmesystems.
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Beleuchtungslicht,
abgestrahlt von einer Lichtquelle 1, die Laserlicht abstrahlt,
wird dazu gebracht, in ein optisches Modul 2 einzutreten,
das einen schlitzförmigen
Lichtfluss formt, woraufhin der schlitzförmige Lichtfluss, der von dem
optischen Modul 2 abgestrahlt wird, auf eine Probe S projiziert wird.
Die Probe S ist auf einem Gestell (Probengestell) 4 angeordnet.
Falls der Lichtfluss die Probe S von unten beleuchtet, ist das Gestell 4 als
transparente Platte ausgebildet. Der schlitzförmige Lichtfluss, der als Beleuchtungslicht
dient, tastet die Fläche
der Probe S durch Antreiben einer Abtasteinrichtung 3 mit
Hilfe eines Abtasteinrichtungsantriebs 5 in X-Richtung
ab.
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Eine
Abtasteinrichtungssteuerung 6 erzeugt ein Synchronisationssignal
zum Antreiben des Abtasteinrichtungsantriebs 5 gemäß den Instruktionen von
einem Computer 10. Für
den schlitzförmigen Lichtfluss
selbst soll als Längsrichtung
die Y-Richtung gelten.
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Das
Licht, das von der Probe S reflektiert wird, welche von dem schlitzförmigen Lichtfluss
beleuchtet wird, oder, falls das Beleuchtungslicht das Erregungslicht
ist, das Licht, das in der Probe selbst erzeugt wurde, wird über die
Abtasteinrichtung 3 wieder in das optische Modul 2 eingebracht.
Das optische Modul 2 wendet einen vorbestimmten Prozess (zeitliche
Auflösung
(in einer zweiten Ausführungsform
Wellenlängenauflösung)) auf
den schlitzförmigen
Lichtfluss von Probe S an, und projiziert den Lichtfluss auf eine
Bildaufnahmefläche
einer TV-Kamera 7.
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Die
TV-Kamera selbst umfasst eine CCD-Kamera oder eine andere Festkörperbildaufnahmeeinrichtung,
wobei Antriebssignale für
die CCD-Kamera von einer Kamerasteuerung 8 in die Kamera
eingegeben werden, und Videosignale von der CCD-Kamera über die Kamerasteuerung 8 in eine
Bildfangschaltung 9 eingegeben werden.
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Die
Bildfangschaltung 9 entnimmt nur Videosignale einer bestimmten
Pixelspalte der CCD-Bildaufnahmefläche, die durch Anordnen mehrerer
Pixel in Form eines Array ausgebildet ist. Falls die Videosignale
aus der bestimmten Pixelspalte von der CCD t Sekunden nach einer
Bezugsspalte der Bildaufnahmefläche
ausgegeben werden, tastet die Bildfangschaltung 9 nur die
Videosignale t Sekunden nach der Bezugsspalte ab, und gibt diese
Signale in einen Computer 10 ein. Die Pixelspalte wird
von dem Computer 10 vorgegeben.
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Der
Computer 10 umfasst eine CPU 10a, einen RAM 10b,
und eine Speichereinrichtung 10c, und steuert das gesamte
System. Der Computer 10 steuert die Abtasteinrichtungssteuerung 6,
die wiederum das Verschwenken durch den Abtasteinrichtungsantrieb 5 steuert,
sowie die Bildfangschaltung 9 und eine Anzeigeeinrichtung 11.
Natürlich
können
die Abtasteinrichtungssteuerung 6 und die Bildfangschaltung 9 als
der Computer 10 ausgebildet sein.
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Während die
Abtasteinrichtung 3 angetrieben wird, und der schlitzförmige Lichtfluss
die Probe S abtastet, werden die Videosignale der jeweiligen Pixelspalte
(dem Zeitpunkt entsprechend) auf der CCD-Bildaufnahmefläche abgetastet,
von der Bildfangschaltung 9 aufgenommen und in der Speichereinrichtung 10c gespeichert.
Das heißt,
der Winkel der Abtasteinrichtung 3 (die Position des schlitzförmigen Lichtflusses
in X-Richtung der Probe S) und die Lichtflussdaten zum jeweiligen
Zeitpunkt an dieser Position werden in einer entsprechenden Weise
in der Speichereinrichtung 10c in Computer 10 gespeichert.
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Im
Folgenden soll nun ein optisches System zum Erzielen des genannten
zeitlich aufgelösten
Bildes beschrieben werden.
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2A ist
eine perspektivische Ansicht optischer Systems 2 und 3,
angewandt auf das oben beschriebene Bildaufnahmesystem. Das optische
System ist mit einer Laserlichtquelle 1 ausgerüstet, die einen
Gaslaser 1a und einen Titansaphirkristall umfasst, der
das Licht verstärkt,
das von dem Gaslaser 1a abgestrahlt wird. 2B bis 2Q zeigen
Querschnittformen des Lichtflusses an den in 2A durch
Pfeile angezeigten Positionen. Die „Querschnittform eines Lichtflusses" soll hier die Querschnittform
eines Lichtflusses in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtflusses bezeichnen.
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Wie
in 2B gezeigt, ist die Querschnittform eines von
der Laserlichtquelle 1 abgestrahlten Lichtflusses senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung kreisförmig,
wobei dieser Lichtfluss durch einen Spiegel M1 in die -Z-Richtung
gebeugt wird.
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Wie
in 2C gezeigt, ist die Querschnittform des Lichtflusses
unmittelbar nach seiner Reflexion durch den Spiegel M1 die eines
Kreises, der die Z-Achse umgibt. Dieser Lichtfluss wird auf einen Strahlenaufweiter
BE einfallen gelassen, der an der Z-Achse angeordnet ist.
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Wie
in 2D gezeigt, ist die Querschnittform des Lichtflusses
unmittelbar nach seinem Austreten aus dem Strahlaufweiter BE die
eines Kreises mit vergrößertem Durchmesser.
Dieser Lichtfluss fällt auf
eine zylindrische Linse CL, und zwar in einer Richtung senkrecht
(Z-Achse) zur Achse (X-Achse) der zylindrischen Fläche der
zylindrischen Linse CL. Die zylindrische Linse CL konvergiert nur
Komponenten einer einzigen Richtung im Querschnitt, senkrecht zu
der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichtflusses. Da im vorliegenden
Beispiel die X-Achse als die Achse der zylindrischen Fläche eingestellt ist,
werden nur Komponenten der Y-Richtung konvergiert.
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Der
Lichtfluss, der von der zylindrischen Linse CL abgestrahlt wird,
wird auf einen dichroitischen Spiegel DC einfallen gelassen.
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Wie
in 2E gezeigt, ist die Querschnittform des Lichtflusses,
der unmittelbar nach seinem Austreten aus einer zylindrischen Linse
CL auf den dichroitischen Spiegel DC einfallen gelassen wird, die
einer Ellipse, deren Hauptachse die X-Achse ist, und deren Nebenachse
die Y-Achse ist. Bis zur Konvergenzposition der zylindrischen Linse
CL nimmt das Verhältnis
dieser Hauptachse zur Nebenachse zu, während der Lichtfluss an der
Konvergenzposition in eine im Wesentlichen schlitzartige Form gebracht
wird.
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Der
dichroitische Spiegel DC lässt
Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs
durch, und reflektiert das Licht der übrigen Wellenlängenbereiche.
Im vorliegenden Beispiel weist der Lichtfluss, der von der zylindrischen
Linse CL auf den dichroitischen Spiegel DC einfallen gelassen wird,
Komponenten der genannten übrigen
Wellenlängenbereiche
auf, und wird daher in X-Richtung reflektiert, und auf einen Galvanospiegel 3a einfallen
gelassen, der die Abtasteinrichtung 3a ausmacht. Der Galvanospiegel 3 wird
von einem Schwenkmotor 3b aufgrund von Instruktionen von
der Abtasteinrichtungssteuerung 6 verschwenkt.
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Wie
in 2F gezeigt, ist die Querschnittform des Lichtflusses
am Galvanospiegel 3a die eines Schlitzes. Das heißt, der
Lichtfluss, der durch die zylindrische Linse CL getreten ist, wird
auf den Galvanospiegel 3a konvergiert und erhält dabei
die Form eines Schlitzes. Die Längsrichtung
dieses schlitzförmigen
Lichtflusses verläuft
senkrecht zur Schwenkachse der reflektierenden Fläche des
Galvanospiegels 3a.
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Nach
der Konvergenzposition weicht der schlitzförmige Lichtfluss, der als das
Beleuchtungslicht dient, das von dem Galvanospiegel 3a reflektiert wird,
von dieser Position ab, und wird über eine Pupillenprojektionslinse
L auf eine Objektivlinse OL einfallen gelassen.
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Wie
in 2G gezeigt, ist die Querschnittform des Lichtflusses
an der Pupillenprojektionslinse L die einer Ellipse, deren Hauptachse
in Y-Achsrichtung verläuft,
und deren Nebenachse in X-Achsrichtung verläuft.
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Wie
in 2H gezeigt, weist die Querschnittform des Lichtflusses
unmittelbar nach dem Austreten aus der Pupil lenprojektionslinse
L ein reduziertes Verhältnis
der Hauptachse gegenüber
der Nebenachse auf. Die Objektivlinse OL ist an der Fokusposition
der Pupillenprojektionslinse L angeordnet. Richtungskomponenten,
die nicht von der zylindrischen Linse CL konvergiert wurden, werden
auf diese Weise von der Pupillenprojektionslinse L auf die Objektivlinse
OL konvergiert. Da die Komponenten, die von der zylindrischen Linse
CL konvergiert wurden, bereits einmal auf den Galvanospiegel 3a konvergiert wurden,
beginnen diese Komponenten schon am Punkt des Einfallens auf der
Pupillenprojektionslinse L abzuweichen, und werden auf diese Weise
als im Wesentlichen paralleles Licht auf die Objektivlinse projiziert.
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Wie
in 2I gezeigt, ist die Querschnittform des Lichtflusses
an der Objektivlinse OL die eines Schlitzes, dessen X-Achse die
Längsrichtung
ist.
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2J zeigt
die Querschnittform des Lichtflusses, der aus der Objektivlinse
OL ausgetreten ist, und auf eine Probe S projiziert wird. Nach der
Objektivlinse OL weisen diejenigen Komponenten, die von der Pupillenprojektionslinse
L konvergiert wurden, und diejenigen Komponenten, die nicht von
der Pupillenprojektionslinse L konvergiert wurden, eine Konvergenzneigung
auf. Ein schlitzförmiger
Lichtfluss, dessen Längsrichtung
die Y-Achse bildet, wird auf diese Weise auf die Probe S projiziert.
Da der Galvanospiegel 3a unter Steuerung seines Drehungswinkels
verschwenkt wird, wird die Fläche
der Probe S von dem schlitzförmigen
Lichtfluss in X-Richtung abgetastet.
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2K zeigt
die Querschnittform des von der Probe S abgestrahlten Lichtflusses,
wobei dieser Lichtfluss die gleiche Schlitzform aufweist wie das
auf die Probe S einfallende Licht. Die Probe S strahlt dem einfallenden
Licht (Erregungslicht) entsprechend Fluoreszenz ab, und das von
Probe S abgestrahlte Licht breitet sich in umgekehrter Richtung von
Probe S in Richtung der Objektivlinse OL aus. Dieses Licht gilt
als das Abtastlicht.
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2L zeigt
die Querschnittform des modifizierten Lichtflusses, unmittelbar,
nachdem der Lichtfluss, der von der Probe S abgestrahlt wurde (das
Abtastlicht) in umgekehrter Richtung durch die Objektivlinse OL
hindurch getreten ist, und 2M zeigt
die Querschnittform des Lichtflusses (Abtastlichts) unmittelbar
nach dem Durchtreten der Objektivlinse OL in umgekehrter Richtung.
Das Abtastlicht wird einmal von der Objektivlinse OL konvergiert
und so zu einem schlitzförmigen
Lichtfluss umgeformt. Diese Konvergenzposition steht in einem Konjugationsverhältnis zu
Probe S.
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2N zeigt
die Querschnittform des Lichtflusses (Abtastlicht), der in umgekehrter
Richtung durch die Linse L getreten ist, und 2O zeigt
die Querschnittform des Lichtflusses, der aus der umgekehrten Richtung
auf den Galvanospiegel 3a einfallen gelassen wird. Am Galvanospiegel 3a weist
das Abtastlicht eine kreisförmige
Querschnittform auf. Das heißt,
der Galvanospiegel 3a und die Austrittpupille der Objektivlinse
OL sind in einem Konjugationsverhältnis zueinander positioniert.
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Da
sich nach der Reflexion durch den Galvanospiegel 3a der
Wellenlängenbereich
des Abtastlichts von demjenigen des einfallenden Lichts unterscheidet,
wird das Abtastlicht aus der umgekehrten Richtung auf den dichroitischen
Spiegel DC einfallen gelassen, und wird von dem dichroitischen Spiegel DC
durchgelassen. 2P zeigt die Querschnittform des
Lichtflusses (Abtastlicht), der aus der umgekehrten Richtung auf
den dichroitischen Spiegel DC einfallen gelassen wird.
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Nach
es von dem dichroitischen Spiegel DC durchgelassen wurde, wird ein
vorbestimmter Wellenlängenbereich
des Abtastlichts durch Durchtreten eines Sperrfilters ausge wählt, und
das Abtastlicht wird dann durch eine Kondensorlinse konvergiert, und
wird als ein schlitzförmiger
Lichtfluss, dessen Längsrichtung
in Y-Richtung der Probenfläche
verläuft,
auf eine Schmierbildkamera einfallen gelassen. Die Schmierbildkamera
führt die
oben erwähnte
zeitliche Auflösung
durch.
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Die
Schmierbildkamera umfasst eine Schmierbildröhre ST, auf die der genannte
schlitzförmige
Lichtfluss einfallen gelassen wird, eine TV-Kamera 7, die
gegenüber
der Lichtaustrittsfläche
der Schmierbildröhre
ST angeordnet ist, und ein optisches Kopplungssystem, das Bilder,
die von der Schmierbildröhre
ST abgestrahlt werden, zur TV-Kamera 7 koppelt.
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2Q zeigt
die Querschnittform des Lichtflusses, der auf die Schmierbildröhre ST einfallen
gelassen wird. Die Schmierbildröhre
ST weist an einer Lichteinfallsfläche einen Schlitz auf, und
die Längsrichtung
dieses Schlitzes stimmt mit der Längsrichtung des darauf einfallenden
schlitzförmigen
Lichtflusses überein.
Die Schmierbildröhre
führt eine
fotoelektrische Umwandlung des darauf einfallenden schlitzförmigen Lichtflusses
durch, lenkt die erzeugten Fotoelektronen durch eine Ablenkeinrichtung
periodisch ab, führt
in Ablenkrichtung des schlitzförmigen
Lichtflusses eine zeitliche Auflösung
als schlitzförmiges
Elektronenbild in Ablenkrichtung durch, und lässt dieses Elektronenbild auf
einen Leuchtschirm einfallen. Da der Leuchtschirm dem Elektronenbild entsprechend
Licht abstrahlt, wird der schlitzförmige Lichtfluss, der einer
zeitlichen Auflösung
in Ablenkrichtung unterzogen wurde, dem Zeitpunkt entsprechend räumlich aufgelöst, und
der schlitzförmige Lichtfluss
jeder einzelnen Zeitperiode wird jeweils von der Schmierbildröhre ST auf
unterschiedliche Positionen der Bildaufnahmefläche der TV-Kamera 7 projiziert.
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Bei
TV-Kamera 7 wird ein schlitzförmiger Lichtfluss einer bestimmten
Abtastposition einer zeitlichen Auflösung unterzogen und detektiert.
Da der Computer 10 den Galvanospiegel 3a so verschwenkt,
dass der schlitzförmige
Lichtfluss als Beleuchtungslicht für die gesamte Fläche (Beobachtungsbereich)
der Probe S abgetastet wird, werden in der Speichereinrichtung 10c zeitlich
aufgelöste
Daten des schlitzförmigen
Lichtflusses für
alle Positionen gespeichert. Durch Zusammenstellen der schlitzförmigen Lichtflüsse, die
jeweils einem bestimmten Zeitpunkt T Sekunden nach dem Beginn oder
dem Ende der Beleuchtung durch den schlitzförmigen Lichtfluss, das heißt durch
das Beleuchtungslicht, für
alle Positionen entsprechen, kann ein Abtastbild zu einem Zeitpunkt
von T Sekunden nach der Beleuchtung erzielt werden, und dieses Abtastbild kann
auf einer Anzeigeeinrichtung 11 angezeigt werden.
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Solche
zeitlich aufgelösten
schlitzförmigen Lichtflüsse lassen
sich nutzbringend für
Zwei-Photonen-Fluoreszenzdetektion mit Zeitauflösung verwenden. Wenn ein Bildaufnahmeverfahren,
welches das vorliegende Bildaufnahmesystem benutzt, auf die Zwei-Photonen-Fluoreszenzdetektion
mit Zeitauflösung
angewandt wird, kann die Stärke
des Lichtflusses (Erregungslichts) gesenkt werden, solange das S/N-Verhältnis dasselbe
bleiben kann wie im Fall des Stands der Technik, da die Beleuchtungsdauer
durch den Lichtfluss pro Pixel im Vergleich zu einem normalen Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskop
des Punktabtastungstyps länger
eingestellt werden kann, so dass sich eine Beeinträchtigung
der Probe S durch das Beleuchten mit Erregungslicht einschränken lässt.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Bildaufnahmesystems, das durch
Integrieren des optischen Systems aus 2A in
einer Einrichtung für den
praktischen Einsatz erzielt wurde. Gleiche Bezugszeichen verweisen
auf gleiche Elemente, wobei die dargestellten Bauteile auf einer
Tragegrundplatte 100.
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Ein
Laserlichtfluss, der von einer Laserlichtquelle 1 abgestrahlt
wird, wird von einem Spiegel M1 reflektiert, durch einen Strahlaufweiter
BE in seinem Durchmesser erweitert, in seinem Verlauf bei Bedarf durch
einen Strahlschalter SH gesteuert, von einem Spiegel M2 reflektiert,
und über
ein Filter Fl, das in eine Filterhalterung eingeführt ist,
und eine zylindrische Linse CL auf einen dichroitischen Würfel (dichroitischen
Spiegel) DC einfallen gelassen.
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Der
dichroitische Spiegel DC reflektiert Licht, das aus der Richtung
der zylindrischen Linse CL einfallen gelassen wird, und der reflektierte
Lichtfluss wird auf einen Galvanospiegel 3a einfallen gelassen. Der
Galvanospiegel 3a macht zusammen mit einem Motor 3b eine
Abtasteinrichtung 3 aus, und wird gemäß einem Steuersignal von einem
Abtasteinrichtungsantrieb 5 verschwenkt.
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Der
Lichtfluss, der von dem Galvanospiegel 3a reflektiert wird,
wird über
eine Pupillenprojektionslinse L in einen optischen Eingangsanschluss
IN einer Mikroskopeinheit eingekoppelt. Der eingekoppelte Lichtfluss
wird von einem Spiegel M3 aufwärts
reflektiert, von einer Objektivlinse OL konvergiert, von unten durch
eine transparente Platte 4 hindurchtreten gelassen, und
von unten als ein schlitzförmiger Lichtfluss
auf eine Probe S geleuchtet, die auf der transparenten Platte 4 angeordnet
ist.
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Schlitzförmiges Abtastlicht,
das von der Probe S abgestrahlt wird, wird nacheinander über die Objektivlinse
OL, den Spiegel M3, die Pupillenprojektionslinse L, den Galvanospiegel 3a,
den dichroitischen Spiegel DC, ein Filter F und eine Kondensorlinse
L' weitergeleitet,
und wird als ein schlitzförmiger Lichtfluss
auf eine Einfallsfläche
einer Schmierbildröhre
ST projiziert.
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Durch
Anwenden einer geeigneten Zeitablenkspannung von einer Schmierbildkamerasteuerung 8' auf eine Ablenkelektrode
STE der Schmierbildröhre
ST wird ein Elektronenbild, das sich aus einer fotoelektrischen
Umwandlung durch die Schmierbildröhre ST ergibt, abgelenkt und
abgetastet, wobei nach dem Umwandeln dieses elektronischen Bildes in
Fluoreszenzlicht das Fluoreszenzlicht von einer TV-Kamera 7 erfasst
wird. Zur Taktung der Ablenkung wird ein Signal von einem Fotodetektor
PD benutzt, der Licht überwacht,
das von einem Halbspiegel HM reflektiert wird, der an der dargestellten
Position angeordnet ist. Das heißt, der Ausgabezeitpunkt des
Fotodetektors PD wird als eine Bezugszeit (t0 = 0) eingestellt,
und diese Bezugszeit wird als Bezugspunkt für den Startzeitpunkt der Ablenkung
benutzt.
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Videosignale,
die von der TV-Kamera 7 ausgegeben werden, werden über eine
Kamerasteuerung 8 in einen Computer 10 eingegeben,
und auf einer Anzeigeeinrichtung 11 angezeigt. Bei dem
vorliegenden Beispiel sind die Abtasteinrichtungssteuerung 6 und
die Bildfangschaltung 9 aus 1 in den Computer 10 integriert.
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Wie
oben beschrieben, ist das oben beschriebene Bildaufnahmesystem mit
einer optischen Einheit 2 ausgerüstet, die wiederum mit der
zylindrischen Linse CL ausgerüstet
ist, die bei einem Lichtfluss, der von der Lichtquelle 1 abgestrahlt
wird, nur die Lichtflusskomponenten einer einzigen Richtung innerhalb
eines Abschnitts konvergiert, der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung
des Lichtflusses verläuft, und
mit der Objektivlinse OL, auf die der Lichtfluss, der von der zylindrischen
Linse CL abgestrahlt wird, einfallen gelassen wird, nachdem der
Lichtfluss die Konvergenzposition der zylindrischen Linse CL passiert
hat, und einen schlitzförmigen
Lichtfluss auf die Probe S projiziert, mit dem Galvanospiegel 3a,
der an der genannten Konvergenzposition am Strahlengang des genannten
Lichtflusses zwischen der zylindrischen Linse CL und der Objektivlinse
OL angeordnet ist, und mit einer TV-Kamera 7, die den Lichtfluss
erfasst, der von der Probe S entsprechend dem Einfallen des schlitzförmigen Lichtflusses
auf die Probe S abgestrahlt wird.
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Da
der Lichtfluss, der von der Lichtquelle 1 abgestrahlt wird,
durch die zylindrische Linse CL in eine Richtung konvergiert wird,
und dieser Lichtfluss über
die Objektivlinse OL in einen schlitzförmigen Lichtfluss umgewandelt
wird, wenn er durch die Objektivlinse tritt, wird mit Hilfe dieses
Systems die Abschwächung
der Stärke
des Lichtflusses gegenüber dem
Stand der Technik verringert, der eine Schlitzplatte benutzt, und
da der Galvanospiegel 3a an der Konvergenzposition der
zylindrischen Linse CL angeordnet ist, kann der schlitzförmige Lichtfluss
die Probe S durch Verschwenken des Galvanospiegels 3a abtasten.
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Im
Folgenden sollen anwendbare Bildaufnahmemoden der oben beschriebenen
Bildaufnahmeeinrichtung beschrieben werden.
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(1) Verzögerter Fluoreszenzakquisitionsmodus
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Die
Probe S wird so angeordnet, dass sie durch Beleuchten mit Laserlicht
erregt wird, wobei nach dem Abstrahlen von Laserlicht von der Laserlichtquelle 1 und
dem Projizieren eines schlitzförmigen
Laserlichtflusses auf die Probe S (wobei der Zeitpunkt der Projektion
auf t0 eingestellt ist), das schlitzförmige Erregungslicht, das von
der Probe S abgestrahlt wird, einer zeitlich aufgelösten Erfassung durch
eine Schmierbildkamera unterzogen wird (beispielsweise durch Erfassen
zu Zeitpunkten t0 + Δt,
t0 + 2Δt,
t0 + 3Δt
und t0 + 4Δt).
Nachdem der beobachtete Bereich der Probe S durch Verschwenken des Galvanospiegels 3a von
dem schlitzförmige
Laserlichtfluss abgetastet wurde, werden schlitzförmige Bilder,
die zu einem Zeitpunkt (beispielsweise t0 + 3Δt) kurz nach jedem Erregungszeitpunkt
(t0) erfasst wurden, am Computer 10 zusammengestellt, und
auf der Anzeigevorrichtung 11 angezeigt. In diesem Fall lassen
sich nur Bilder von Substanzen mit einer langen Fluoreszenzlebensdauer
gezielt erfassen. Für das
menschliche Auge werden die Bilder in Echtzeit angezeigt.
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(2) Vereinfachter Fluoreszenzlebensdauer-Akquisitionsmodus
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Die
Unterschiede bezüglich
(1) oben bestehen darin, dass schlitzförmige Lichtflussbilder (bezeichnet
mit I1 und I2) an zwei Zeitpunkten nach der Erregung erfasst werden,
beispielsweise an t1 = t0 + Δt
und t2 = t0 + 3Δt,
und der Computer 10 I1/I2 berechnet, und anschließend entsprechend
dem schlitzförmigen
Bild vom Computer 10 Bilder zusammengestellt und auf der
Anzeigeeinrichtung 11 angezeigt werden. Da in diesem Fall
die berechneten Werte entsprechend der Lebensdauer der Regionen innerhalb
von Probe S abweichen, kann eine vereinfachte Zuordnung der Fluoreszenzlebensdauer durchgeführt werden.
Für das
menschliche Auge werden die Bilder in Echtzeit angezeigt.
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(3) Fluoreszenzlebensdauer-Akquisitionsmodus
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Dieser
Modus unterscheidet sich von (2) oben durch das Berechnungsverfahren.
Da schlitzförmige
Probenbilder aller Zeitpunkte (t0 + Δt, t0 + 2Δt) für den Bereich innerhalb des
beobachteten Bereichs durch Verschwenken des Galvanospiegels 3a erfasst
werden, werden Graphen berechnet, die die zeitlichen Abschwächungskennlinien
der Stärke (Leuchtdichte)
der Fluoreszenz anzeigen, welche von Probe S abgestrahlt wird, das
heißt,
es werden für
jedes Pixel der Bildaufnahmefläche
der TV-Kamera 7 auf Grundlage der jeweiligen Stärke der
Probenbilder Lebensdauerkurven berechnet, und für jedes Pixel wird der Zeitpunkt
(Fluoreszenzlebensdauer) berechnet, an dem 1/e-tel des maximalen
Luminanzwertes der entsprechenden Kurve erzielt wird. Diese Fluoreszenzlebensdauer
kann unter Verwendung einer zuvor gemessenen Gerätekonstante und durch Entfalten
der genannten Fluoreszenzlebensdauerkurve auch strenger berechnet
werden
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Dieses
System lässt
sich gegenüber
der oben beschriebenen Zeitauflösungsanordnung
auch als eine Wellenlängenauflösungsanordnung
abwandeln.
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Zweite Ausführungsform
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4A ist
eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems von einem Bildaufnahmesystem
eines Typs, mit dem eine zeitliche Auflösung eines schlitzförmigen Lichtflusses
durchgeführt
wird. 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 4I, 4J, 4K, 4L, 4M, 4N, 4O, 4P und 4Q zeigen
Querschnitte des Lichtflusses an den Punkten, die in 4A durch
Pfeile angezeigt sind. 4B bis 4Q entsprechen
im Großen
und Ganzen 2B bis 2Q.
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Die
Einrichtungsanordnung entspricht im Wesentlichen der in 2 gezeigten, doch während in der oben beschriebenen
Anordnung der Lichtfluss, der unter Verwendung der Schmierbildröhre ST einer zeitlichen
Auflösung
unterzogen wurde, von der TV-Kamera 7 erfasst wird, wird
in der im Folgenden beschriebenen Anordnung der Lichtfluss, der
einer Wellenlängenauflösung unterzogen
wird, unter Benutzung eines Beugungsgitters G anstelle der Schmierbildröhre T mit
Hilfe der TV-Kamera 7 erfasst. Anders ausgedrückt, entfällt die
Schmierbildröhre
ST der oben beschriebenen zeitlich auflösenden Einrichtungsanordnung,
und stattdessen wird ein Beugungsgitter G für eine Wellenlängenauflösung dazu
benutzt, eine Auflösung
in Bezug auf die Wellenlänge
anstelle der Zeit durchzuführen.
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Die
Systemanordnung der vorliegenden Ausführungsform ist bis zum Durchtreten
des dichroitischen Spiegels DC dieselbe wie bei der oben beschriebenen
Ausführungsform.
Ein vorbestimmter Wellenlängenbereich
des Abtastlichts, das durch den dichroitischen Spiegel DC hindurch
gelassen wurde, wird durch das Sperrfilter F ausgewählt, und
als ein schlitzförmiger
Lichtfluss, dessen Längserstreckung in
Richtung der Y-Achse verläuft,
auf ein Beugungsgitter (Spektroskop) G des Weiterleitungstyps einfallen
gelassen.
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Das
Beugungsgitter G führt
eine Wellenlängenauflösung durch,
das heißt,
es löst
den einfallenden schlitzförmigen
Lichtfluss in der X-Richtung der Koordinaten auf der Probe S spektral
auf, und strahlt dann den Lichtfluss ab. Das Bild des Lichtflusses,
der einer Wellenlängenauflösung unterzogen
wurde, wird über
Kondensorlinse L' auf
der Bildaufnahmefläche
der TV-Kamera 7 gebildet. 4Q zeigt,
in der Ebene senkrecht zum Lichtfluss (Abtastlicht), die Querschnittform
des Lichtflusses, der auf die Bildaufnahmefläche der Kamera 7 einfallen
gelassen wird.
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Bezug
nehmend auf 1 werden, indem die Abtasteinrichtung 3 angetrieben
wird und auf diese Weise der schlitzförmige Lichtfluss die Probe
S abtastet, mit Hilfe der vorliegenden Einrichtung Videosignale
einer bestimmten Pixelspalte (die einer Wellenlänge entspricht) auf der CCD-Bildaufnahmefläche der
TV-Kamera 7 abgetastet, und mit Hilfe der Bildfangschaltung 9 aufgenommen
und in der Speichereinrichtung 10c gespeichert. Das heißt, der
Winkel der Abtasteinrichtung 3 (Position des schlitzförmigen Lichtflusses
in der X-Richtung an Probe S) und die Lichtflussdaten der jeweiligen
Wellenlänge
an dieser Position werden in einer entsprechenden Weise in der Speichereinrichtung 10c im
Inneren des Computers 10 gespeichert.
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Dabei
sollen die Positionen des schlitzförmigen Lichtflusses auf Probe
S in X-Richtung zu den Zeitpunkten t = 1, 2, 3, 4 und 5 jeweils
X = 1, 2, 3, 4 und 5 sein. Die Position des schlitzförmigen Lichtflusses
auf der Probe S in Y-Richtung
soll Y sein, und die Wellenlänge
A. Bei den entsprechenden Einheiten soll es sich um beliebige Konstanten
handeln.
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5A, 5B, 5C, 5D und 5E sind
erläuternde
Darstellungen, die Bilder auf der Bildaufnahmefläche der TV-Kamera 7 für die Zeitpunkte
t = 1, 2, 3, 4 und 5 zeigen. 6A, 6B, 6C, 6D und 6E sind
Graphen, die die spektrale Verteilung zeigen, die durch Integration
des schlitzförmigen
Lichtflusses in der Y-Richtung erzielt wurden, für die Zeitpunkte t = 1, 2,
3, 4 und 5 zeigen.
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Um
beispielsweise ein Abtastbild für
die Wellenlänge λ = 2 zu erhalten,
weist der Computer 10 die Bildfangschaltung 9 an,
Videosignale der Pixelspalte von λ =
2 aus 5A bis 5E abzutasten.
Auf diese Weise werden Daten eines schlitzförmigen Lichtflusses von λ = 2 in der
X-Richtungsposition des schlitzförmigen
Lichtflusses auf der Probe S in X-Richtung erzielt, und durch Zusammenstellen
dieser Daten wird das Abtastbild für die Wellenlänge λ = 2 erzielt.
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7A, 7B, 7C, 7D und 7E sind
erläuternde
Darstellungen, die Abtastbilder zeigen, die für λ = 1, 2, 3, 4, 5 und 6 zusammengestellt
wurden. Die Daten aus 5A bis 7F werden
auf Anzeigeeinrichtung 11 angezeigt.
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Da
die Daten (X, Y, λ (oder
Zeitpunkt T)) auf der Fläche
der Probe S sich durch wiederholtes Abtasten durch den schlitzförmigen Lichtfluss
erzielen lassen, kann der Computer 10 diese Daten derart umordnen,
dass Bilder erstellt werden, die ein Verhältnis zwischen λ und X zeigen.
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8A, 8B, 8C und 8D und sind
erläuternde
Darstellungen, die Bilder auf der Bildaufnahmefläche der TV-Kamera 7 für die Positionen
Y = 1, 2, 3 und 4 zeigen. 9A, 9B, 9C,
und 9D sind Graphen, die die spektrale Verteilung
des schlitzförmigen
Lichtflusses für
die Positionen Y = 1, 2, 3, und 4 zeigen. Durch Integrieren der
spektralen (Leuchtdichte 1) Verteilungen aus 9A bis 9D kann
ein Graph erzielt werden, der eine integrierte spektrale Verteilung
des gesamten beobachteten Bereichs der Probe anzeigt, wie in 10 dargestellt.
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Dritte Ausführungsform
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11A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen
Systems eines abgewandelten Beispiels für ein optisches System, angewandt
auf ein Bildaufnahmesystem. 11B, 11C, 11D, 11E, 11F, 11G, 11H, 11I, 11J, 11K, 11L, 11M, 11N, 11O, 11P und 11Q zeigen Querschnittformen des Lichtflusses
an den Punkten, die in 11A durch
Pfeile angezeigt sind. Die Anordnung aus 11A unterscheidet
sich von derjenigen aus 4A nur
dadurch, dass das Beugungsgitter G dazu vorgesehen ist, die Konvergierungsfunktion
der Kondensorlinse L' bereitzustellen,
und dass die Kondensorlinse L' selbst
entfällt.
Mit anderen Worten, das optische Bauteil G ist eine Kondensorlinse,
an deren Fläche
ein Beugungsgitter ausgebildet wurde.
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11B bis 11Q entsprechen 4B bis 4Q.
Die oben beschriebene Auflösung
lässt sich
auch mit einem solchen System durchführen.
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Wie
oben beschrieben, kann mit jedem Bildaufnahmesystem der oben beschriebenen
Ausführungsformen
unter Benutzung der zylindrischen Linse CL, des Galvanospiegels 3a und
der Objektivlinse L eine Abtastung der Probe S durch einen schlitzförmigen Lichtfluss
von hoher Stärke
durchgeführt
werden.