DE10115487A1 - Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem Scanmikroskop - Google Patents
Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem ScanmikroskopInfo
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Abstract
Die Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem Scanmikroskop besteht aus einem Laser (1) und einem Objektiv (12), das das von dem Laser (1) erzeugte Licht auf eine zu untersuchende Probe (13) fokussiert, wobei zwischen dem Laser (1) und dem Objektiv (12) ein Lichtleitelement (3) vorgesehen ist, das das vom Laser (1) erzeugte Licht transportiert. Das Lichtleitelement ist aus einer Vielzahl von mikroskopischen Strukturelementen aufgebaut, die zumindest zwei unterschiedliche optische Dichten aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das optische Lichtleitelement (3) aus Photonic-Band-Gap-Material besteht und als Lichtleitfaser ausgestaltet 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 fokussiert.
Das Scanmikroskop kann auch als konfokales Mikroskop ausgestaltet sein.
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.
Ebenso ist es denkbar Diodenlaser und Festkörperlaser zu verwenden.
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.
Die Verwendung von ultraviolettem Licht in der Scanmikroskopie ist
beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 592 089 "Scanning
confocal microscope providing a continuous display" bekannt. Leider führt eine
Einkopplung des UV-Lichtes mit Hilfe einer Lichtleitfaser meist nach wenigen
Stunden zu irreversiblen Schäden an der Lichtleitfaser. Es kommt unter
anderem zur Ausbildung von Farbzentren, die die Transmissivität der
Lichtleitfaser stark herabsetzen.
Eine Vorrichtung zur Verlängerung der Lebensdauer der Lichtleitfaser ist in
der deutschen Patentschrift DE 44 46 185 "Vorrichtung zum Einkoppeln eines
UV-Laserstrahles in ein konfokales Laser-Scanmikroskop" veröffentlicht. Dort
wird ein Strahlunterbrecher eingesetzt, der den UV-Lichtstrahl nur dann
freigibt, wenn der UV-Lichtstrahl für die Bildaufnahme tatsächlich benötigt
wird. Mit dieser Vorrichtung wird das Problem der Beschädigung der
Lichtleitfaser verringert, jedoch nicht grundlegend gelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Scanmikroskop zu schaffen, das
die aufgezeigten Probleme löst.
Die objektive Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, die die Merkmale
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 beinhaltet.
Das Lichtleitelement weist vorzugsweise mikrooptische Strukturelemente in
Form von Kanülen, Stegen, Waben, Röhren oder Hohlräume auf. Durch einen
solchen optisch nichtlinearen Aufbau wird insbesondere UV-Licht geleitet,
ohne das Lichtleitelement oder dessen Struktur zu schädigen.
Eine gute Handhabbarkeit ist durch die Ausbildung des Lichtleitelements als
Lichtleitfaser gegeben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung beinhaltet das Lichtleitelement einen
ersten und einen zweiten Bereich, wobei der erste Bereich eine homogene
Struktur aufweist und in dem zweiten Bereich eine mikroskopische Struktur
aus mikrooptischen Strukturelementen gebildet ist. Besonders vorteilhaft ist
diese Ausgestaltungsform, wenn der erste Bereich den zweiten Bereich
umschließt.
Das Lichtleitelement in der Form eines "photonic band gap material" hat den
Vorteil, dass durch den optisch nichtlinearen Aufbau der Faser UV-Licht
geleitet wird, ohne die Faser oder deren Struktur zu schädigen. 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 Glasröhren oder
Glasblöcken hergestellt, so dass eine Struktur entsteht, die
nebeneinanderliegend Glas-, bzw. Kunststoffmaterial und Hohlräume
aufweist. 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. 1-2 µm haben und meist mit Luft gefüllt sind, wobei
Kanülendurchmesser von 1,9 µm besonders geeignet sind. In der Mitte der
Faser liegt meist keine Kanüle vor. Diese Art von Fasern sind auch als
"photon crystal fibres", "holey fibers" oder "microstructured fibers" bekannt. Es
sind auch Ausgestaltungen als sog. "Hollow fiber" bekannt, bei denen sich in
der Mitte der Faser eine in der Regel luftgefüllte Röhre befindet, um die herum
Kanülen angeordnet sind. Fasern dieser Art sind für den Transport von UV-
Licht besonders prädestiniert, da das Licht nicht im optisch dichten
Fasermaterial, sondern in den Hohlräumen geführt wird.
Zum Einsatz in der Mikroskopie ist es wichtig Mittel zur
Lichtleistungsstabilisierung zu implementieren. Daher lässt sich in vorteilhafter
Weise eine solches optisches Lichtleitelement 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 Austrittsende der
Lichtleitfaser als Punktlichtquelle nutzen, wodurch die Verwendung einer
Anregungsblende überflüssig wird.
Im weiteren Ausführungsformen sind Vorrichtungen zur Kompensation von
Lichtleistungsschwankungen vorgesehen sein. 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 weitere Vorteil der Erfindung ist, das Lichtleitelement so auszugestalten,
dass sowohl UV-Licht, als auch Licht anderer Wellenlängen weitgehend
verlust- und schädigungsfrei zum Scanmikroskop transportiert werden kann,
insbesondere 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 mit einem Regelkreis zur
Lichtleitungsstabilisierung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen
Lichtleitelements,
Fig. 4 eine weitere schematische Darstellung eines optischen
Lichtleitelements und
Fig. 5 eine weitere schematische Darstellung eines optischen
Lichtleitelements.
Fig. 1 zeigt ein Konfokalmikroskop, das ein optisches Lichtleitelement 3, das
als Lichtleitfaser mit zum Transport des von einem Laser 1, der als
Mischgaslaser ausgebildet ist, erzeugten Lichts verwendet. Der Laser 1
definiert einen Laserstrahl 2, der durch das optische Lichtleitelement 3 geleitet
wird. Das optische Lichtleitelement 3 ist als Lichtleitfaser ausgeführt und
besteht aus Photonic-Band-Gap-Material. Dem optischen Lichtleitelement 3 ist
eine Einkoppeloptik 4a vor- und eine Auskoppeloptik 4b nachgeordnet. Aus
dem optischen Lichtleitelement 3 tritt ein Beleuchtungslichtstrahl 14 aus, der
von einer ersten Optik 5 auf ein Beleuchtungspinhole 6 abgebildet wird und
dann auf einen Strahlteiler 7 trifft. Vom Strahlteiler 7 gelangt der
Beleuchtungslichtstrahl 14 zu einer zweiten Optik 8, die einen parallelen
Lichtstrahl 14a erzeugt, der auf einen Scanspiegel 9 trifft. Dem Scanspiegel 9
sind mehrere Optiken 10 und 11 nachgeschaltet, die den Lichtstrahl 14a
formen. Der Lichtstrahl 14a gelangt zu einem Objektiv 12, von dem er auf eine
Probe 13 fokussiert wird. Das von der Probe reflektierte oder ausgesendete
Licht definiert einen Beobachtungsstrahlengang 14b. Das Licht des
Beobachtungsstrahlengang 14b tritt abermals durch die zweite Optik 8 und
wird auf ein Detektionspinhole 15 abgebildet, das vor einem Detektor 16 sitzt.
Durch das optische Lichtleitelement 3 ist es möglich, das für die Untersuchung
der Probe 13 notwendige Laserlicht, das auch UV-Anteile enthält,
schädigungsfrei zu transportieren.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht in weiten Zügen der
in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform. Zusätzlich ist ein Regelkreis 21 zur
Lichtleistungsstabilisierung vorgesehen. Der durch den Strahlteiler 7 hindurch
tretende kleine Anteil des Beleuchtungslichtstrahls 14 wird mit Hilfe der Optik
17 auf eine Photodiode 18 fokussiert, die ein zur Leistung des auftreffenden
Lichtes proportionales elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal wird über die
Leitung 18a an die Steuereinheit 19 weitergeleitet, die ein Regelsignal
errechnet, das über die Leitung 20 an den Fernsteuereingang des Lasers 1
geleitet wird. Die Steuereinheit ist so ausgelegt, dass die Lichtleistung des
Beleuchtungslichtstrahles 14 nach dem Austreten aus dem optischen
Lichtleitelement 3 weitgehend konstant ist, so dass auch
Transmissionsschwankungen ausgeglichen sind.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des optischen Lichtleitelements 3, das eine
besondere wabenförmige Mikrostruktur 22 aufweist. Die gezeigte
Wabenstruktur ist sowohl für den Transport von UV- als auch von sichtbarem
Licht besonders geeignet. Der Durchmesser der Glasinnenkanüle 24 beträgt
ca. 1,9 µm. Die innere Kanüle 24 ist von Glasstegen 26 umgeben. Die
Glasstege 26 formen wabenförmige Hohlräume 25. Diese mikrooptischen
Strukturelemente bilden gemeinsam einen zweiten Bereich 32, der von einem
ersten Bereich 23, der als Glasmantel ausgeführt ist, umgeben ist.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des optischen Lichtleitelements 3, das als
biegsame Faser ausgestaltet ist und aus einem Glaskörper 27 besteht, der
mehrere hohle Kanülen 28 beinhaltet. Im Zentrum befindet sich bei dieser
Ausgestaltungsform keine hohle Kanüle.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform des optischen Lichtleitelements,
das aus einem Kunststoff- oder einem Glaskörper 29 besteht, in dem sich
hohle Kanülen 30 mit einem Innendurchmesser von typischerweise 1,9 µm
befinden. Im Zentrum des optischen Lichtleitelements 3 befindet sich eine
hohle Kanüle 31, die einen Innendurchmesser von typischerweise 3 µm
aufweist.
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
Laser
2
Laserstrahl
3
optisches Lichtleitelement
4
a Einkoppeloptik
4
b Auskoppeloptik
5
Optik
6
Beleuchtungspinhole
7
Strahlteiler
8
Optik
9
Scanspiegel
10
Optik
11
Optik
12
Objektiv
13
Probe
14
Beleuchtungslichtstrahl
14
a Lichtstrahl
14
b Beobachtungsstrahlengang
15
Detektionspinhole
16
Detektor
17
Optik
18
Photodiode
18
a Leitung
19
Steuereinheit
20
Leitung
21
Regelkreis
22
Mikrostruktur
23
erster Bereich
24
innere Kanüle
25
Hohlräume
26
Glasstege
27
Glaskörper
28
Kanülen
29
Kunststoffkörper
30
hohle Kanülen
31
hohle Kanüle
32
zweiter Bereich
Claims (12)
1. Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate
mit einem Scanmikroskop, das einen Laser (1) und ein Objektiv (12) umfasst,
dass das von dem Laser (1) erzeugte Licht auf eine zu untersuchende Probe
(13) fokussiert, wobei zwischen dem Laser (1) und dem Objektiv (12) ein
Lichtleitelement (3) vorgesehen ist, dass das vom Laser (1) erzeugte Licht
transportiert, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement aus einer
Vielzahl von mikrooptischen Strukturelementen aufgebaut ist, die zumindest
zwei unterschiedliche optische Dichten aufweisen.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Lichtleitelement (3) 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.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Bereich den zweiten Bereich umschließt.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Lichtleitelement (3) aus nebeneinander angeordnetem Glas- oder
Kunststoffmaterial und Hohlräumen (25) besteht.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die mikrooptischen Strukturelemente Kanülen (24, 28), Stege (26),
Waben, Röhren oder Hohlräume (25) sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Lichtleitelement (3) aus Photonic-Band-Gap-Material besteht.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement als Lichtleitfaser ausgestaltet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Laser (1) UV-Licht emittiert.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass Mittel zur Lichtleistungsstabilisierung vorgesehen sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Lichtleistungsstabilisierung ein Regelkreis (21) vorgesehen ist.
11. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Scanmikroskop ein Konfokalmikroskop ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
dass das Austrittsende der Lichtleitelements (3) als Beleuchtungsblende dient.
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