DE102006015272A1 - Spectral filter set for LED-based microscope illumination, has excitation filter utilized with higher transmission and steep edge in transmission area, and with smaller optical density in restricted area, by adjusting illumination - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektralfilter-Set für LED-basierte Mikroskopbeleuchtungen, insbesondere zur effektiven Durchführung von Fluoreszenzuntersuchungen.The The present invention relates to a spectral filter set for LED-based Microscope illuminators, in particular for the effective performance of fluorescence investigations.
Nach dem Stand der Technik bestehen bekannte Fluoreszenzeinrichtungen an Lichtmikroskopen aus einer Lichtquelle, die in der Regel ein multispektrales, kontinuierliches Spektrum (Xenonlampen – XBO) oder ein Linienspektrum (Quecksilberhöchstdrucklampen – HBO) hoher Intensität emittiert, einem Auflichtstrahlengang mit Anregungsfilter, einem Strahlteiler, zur Einkopplung des Anregungslichts in den Abbildungsstrahlengang und einem Emissionsfilter im Abbildungsstrahlengang. Die Durchlass- und Sperrbereiche von Anregungsfilter, Strahlteiler und Emissionsfilter sind so angelegt, dass mit dem ausgewählten Spektralbereich der Lichtquelle eine möglichst effiziente Anregung und Detektion eines oder mehrerer Fluorophore stattfindet.To The prior art is known Fluoreszenzeinrichtungen at light microscopes from a light source, which is usually a multispectral, continuous spectrum (xenon lamps - XBO) or a line spectrum (high pressure mercury lamps - HBO) higher intensity emitted, a Auflichtstrahlengang with excitation filter, a beam splitter, for coupling the excitation light in the imaging beam path and an emission filter in the imaging beam path. The passage and stop bands of excitation filter, beam splitter and emission filter are designed so that with the selected spectral range of the light source one possible efficient excitation and detection of one or more fluorophores takes place.
Die im Beleuchtungsstrahlengang positionierten Anregungsfilter haben eine möglichst hohe Transmission für die Wellenlängen, welche die Fluoreszenz anregen, wobei insbesondere längenwellige Strahlung zurückgehalten wird. Die im Abbildungsstrahlengang positionierten Sperrfilter haben hingegen eine hohe Transmission für die energieärmeren, längeren Wellenlängen des Fluoreszenzlichts, wobei insbesondere das energiereiche Anregungslicht möglichst vollständig eliminiert wird. Die verwendeten Filter haben somit die Aufgabe, die erwünschten Wellenlängen voll durchzulassen und die unennrünschten möglichst vollständig zu sperren. Erschwerend ist hierbei, dass die Intensitäten von Anregungslichts und Emissionslicht sehr unterschiedlich ist. Während das Anregungslicht hoher Intensität vom mikroskopischen Bild fernzuhalten ist, muss das intensitätsarme Emissionslicht möglichst vollständig ankommen.The have in the illumination beam path positioned excitation filter one possible high transmission for the wavelengths, which excite the fluorescence, in particular wavelength radiation retained becomes. The blocking filters positioned in the imaging beam path have however, a high transmission for the lower energy, longer wavelengths of the Fluorescent light, wherein in particular the high-energy excitation light possible Completely is eliminated. The filters used therefore have the task of the desired wavelengths full let through and the undesirable preferably Completely to lock. The difficulty here is that the intensities of Excitation light and emission light is very different. While that Excitation light of high intensity from must be kept away from the microscopic image, the low-emission emission light preferably arrive completely.
Dazu müssen die Anregungsfilter alle anderen als den gewünschten Wellenlängenbereich effizient unterdrücken, wozu eine sehr hohe optische Dichte (OD > 5) im Sperrbereich notwendig. Gleiches gilt für den Sperrbereich von Strahlteiler und Emissionsfilter. Gleichzeitig müssen die Filter möglichst steile Flanken haben, damit die Wellenlängenbereiche von Anregung und Emission optimal genutzt werden können.To have to the excitation filters all other than the desired wavelength range suppress efficiently, which requires a very high optical density (OD> 5) in the stopband. same for for the Blocking range of beam splitter and emission filter. simultaneously have to the filters as steep as possible Flanks have, so the wavelength ranges of excitation and emission can be used optimally.
Filter die diese Voraussetzungen hinsichtlich der optischen Dichte und der Flankensteilheit erfüllen sind in ihrer Herstellung sehr aufwendig und teuer. Andererseits führt aber eine zu geringe optische Dichte zum sogenannten „Durchschlagen" von nicht erwünschten Wellenlängen auf die Probe und den Detektor. Eine zu geringe Flankensteilheit bei spektral dicht benachbarten Filtern kann zu Überschneidungen im Durchlassbereich, dem sogenannten „Cross-talk" führen, wodurch es zum Übersprechen von Anregungslicht in das Band des Emissionslichts kommt. Das Fluoreszenzbild verliert dadurch an Kontrast und durch Falschlicht entstehen Artefakte im Bild.filter which meets these requirements in terms of optical density and meet the edge steepness in their preparation very expensive and expensive. On the other hand leads however too low an optical density for so-called "strike-through" of unwanted wavelength to the sample and the detector. Too low a slope in the case of spectrally closely adjacent filters, overlapping in the passband, the so-called "cross-talk" lead, which it to crosstalk Exciting light enters the band of emission light. The fluorescence image loses contrast and by false light artefacts in the picture.
Um ein möglich kontrastreiches Fluoreszenzbild zu erhalten ist es zwar möglich die Intensität der Beleuchtungslichtquelle zu erhöhen, allerdings führt dies auch zu einer Erhöhung der Intensität in den Sperrbereichen und somit zu einer Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses im Bild und zu einer Begrenzung bei der Belichtungszeit.Around one possible Although it is possible to obtain a contrast-rich fluorescence image Intensity of Increase illumination light source, however leads this also to an increase the intensity in the blocked areas and thus to a deterioration of the signal-to-noise ratio in the picture and to a limitation in the exposure time.
Ein möglich kontrastreiches Fluoreszenzbild erhält man, wenn die im Mikroskop verwendeten Linsen, Filter und Immersionsflüssigkeiten zum einen über keine Eigenfluoreszenz verfügen und zum anderen die für Fluoreszenz geeigneten Objektive bis in den nahen UV-Bereich eine hohe Transmission aufweisen.One possible High-contrast fluorescence image is obtained when in the microscope used lenses, filters and immersion liquids on the one hand no Have autofluorescence and the other for Fluorescence suitable lenses down to the near UV range have high transmission.
Da die im Präparat angeregte Fluoreszenz in alle Richtungen abgestrahlt wird, ist es besonders wichtig, möglicht viel davon "einzusammeln". Dazu werden Objektive mit einem großen Öffnungswinkel verwendet. Mit einer verdoppelten Apertur des Objektivs kann etwa viermal mehr Fluoreszenzlicht einfangen werden. Durch den zusätzlichen Einsatz von Immersionsflüssigkeiten, insbesonde re Öl lassen sich zusätzliche Lichtverluste durch Lichtreflexe an den Oberflächen beseitigen.There those in the preparation excited fluorescence is emitted in all directions, it is especially important, possible much of it "to collect". These are lenses used with a large opening angle. With a doubled aperture of the lens can be about four times more Capture fluorescent light. Through the additional use of immersion liquids, especially oil can be additional Eliminate light losses caused by light reflections on the surfaces.
Nach dem Stand der Technik sind bereits LED-basierte Beleuchtungseinheiten für Mikroskope bekannt, bei denen eine Wellenlängenselektion durch dichroitische Strahlteiler und/oder Filter erfolgt.To the prior art are already LED-based lighting units known for microscopes, in which a wavelength selection by dichroic beam splitters and / or filters.
So
beschreibt die
Mit dieser Lösung wird eine Belichtungseinheit zur Anregung von Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz zur Verfügung gestellt, die eine lange Lebensdauer hat und verhältnismäßig preiswert ist. Außerdem ist eine Intensitätsmodulation der Belichtungsquelle ohne mechanische Blenden und/oder optische Filter möglich.With this solution, an exposure unit for exciting fluorescence and / or phosphorescence is provided, which has a long life and is relatively inexpensive. In addition, an intensity modulation of the exposure source without mechanical diaphragms and / or optical filters possible.
In
der
Mit der hier beschriebenen Lösung wird eine Belichtungseinheit zur Verfügung gestellt, mit der verschiedene Beleuchtungsarten, wie Hellfeld-, Dunkelfeld- und Schräglichtbeleuchtung sowie ringförmige Beleuchtungen für mikroskopische Anwendungen auf einfache Art realisiert werden können.With the solution described here an exposure unit is provided with which different Illumination types, such as bright field, darkfield and oblique illumination as well as annular Illuminations for microscopic applications can be realized in a simple manner.
Bei
dem in der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften der Filter derart an die Lichtquelle bzw. das Emissionslicht anzupassen, dass durch eine hohe Flankensteilheit und Transmission in den Durchlassbereichen und eine ausreichende optische Dichte in den Sperrbereichen Fluoreszenzbilder mit hohem Kontrast und verbessertem Signal/Rausch-Verhältnis erzeugt werden können.Of the The present invention is based on the object, the properties adapt the filter to the light source or the emission light such that by a high edge steepness and transmission in the passage areas and a sufficient optical density in the stop regions fluorescence images produced with high contrast and improved signal-to-noise ratio can be.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention Problem solved by the features of the independent claims. preferred Further developments and embodiments are the subject of the dependent claims.
Obwohl die vorgeschlagene Lösung eines Spektralfilter-Sets für LED-basierte Mikroskopbeleuchtungen insbesondere für Mikroskope zur Durchführung von Fluoreszenzuntersuchungen vorgesehen ist, wäre eine Verwendung auch dort sinnvoll, wo das Licht einer ohnehin schon schmalbandigen Beleuchtungsquelle zusätzlich eingegrenzt werden soll und/oder um störende Lichteffekte durch Fremdlicht zu unterdrücken.Even though the proposed solution a spectral filter set for LED-based microscope illumination, especially for microscopes to carry out of fluorescence studies, a use would be there as well makes sense where the light of an already narrowband illumination source additionally is to be limited and / or disturbing light effects by extraneous light suppress.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigenThe Invention will be described below with reference to embodiments. Show this
Bei dem erfindungsgemäßen, aus einem im Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops angeordneten Anregungsfilter, einem Strahlteiler zur Einkopplung des Anregungslichts in den Abbildungsstrahlengang und einem im Abbildungsstrahlengang angeordneten Emissionsfilter bestehenden Spektralfilter-Set für LED-basierte Mikroskopbeleuchtungen zur Durchführung von Fluoreszenzuntersuchungen, ist das Anregungsfilter als Bandpassfilter, der Strahlteiler spektralselektiv, mit einem Transmissionsbereich außerhalb des Bandpassbereiches des Anregungsfilters und das Emissionsfilter mit einem, dem Emissionsspektrum entsprechenden Transmissionsbereich ausgebildet. Dabei können insbesondere durch Anpassung an die LED-basierte Mikroskopbeleuchtung Anregungsfilter mit einer höheren Transmission und einer steileren Flanke im Durchlassbereich, sowie geringeren Anforderungen an die optische Dichte OD im Sperrbereich und Emissionsfilter mit einer hohen optischen Dichte OD im Bereich der Beleuchtungsstrahlung verwendet werden.at the inventive, from a excitation filter arranged in the illumination beam path of the microscope, a beam splitter for coupling the excitation light in the imaging beam path and an emission filter arranged in the imaging beam path existing spectral filter set for LED-based microscope illuminators for performing fluorescence studies, is the excitation filter as a bandpass filter, the beam splitter spectrally selective, with a transmission range outside the bandpass range of the excitation filter and the emission filter with one, the emission spectrum corresponding transmission area formed. It can in particular by adapting to the LED-based microscope illumination excitation filter with a higher transmission and a steeper flank in the passband, as well as lower Requirements for the optical density OD in the stopband and emission filter with a high optical density OD in the area of the illumination radiation be used.
Von der LED-basierten Mikroskopbeleuchtung wird Licht mit einer Bandbreite von etwa 10nm bis 100nm, vorzugsweise 30–50nm abgestrahlt. Aus diesem Licht mit bereits sehr schmaler Bandbreite wird mit Hilfe eines als Bandpassfilter ausgelegtes Anregungsfilters unerwünschtes Restlicht herausgefiltert, so dass das Lichtband der Mikroskopbeleuchtung nur noch eine Breits von etwa 20–40 nm aufweist.From The LED-based microscope illumination will provide light with a bandwidth emitted from about 10nm to 100nm, preferably 30-50nm. Out of this light With already very narrow bandwidth is using a as a bandpass filter filtered excitation filter unwanted residual light filtered out, so that the light band of the microscope illumination only one broad from about 20-40 nm.
Diese sehr schmalbandige Beleuchtungsstrahlung wird über den im Abbildungsstrahlengang angeordneten spektralselektiven Strahlteiler in diesen eingekoppelt und auf die zu untersuchende Probe geleitet. Der spektralselektive Strahlteiler weist dazu einen Transmissionsbereich außerhalb des Bandpassbereiches des Anregungsfilters auf.These very narrow-band illumination radiation is arranged over the in the imaging beam path Spectrally selective beam splitter coupled into these and on the passed to be examined sample. The spectrally selective beam splitter has a transmission range outside the bandpass range of the excitation filter.
In der Probe wird durch die als Anregungsstrahlung dienende schmalbandige Beleuchtungsstrahlung Fluoreszenz ausgelöst. Diese Fluoreszenzstrahlung geringer Intensität wird über den Transmissionsbereich des spektralselektiven Strahlteiler auf eine Bildausgabeeinheit, die ein Detektor und/oder ein Okular sein kann, abgebildet.In the sample is served by the serving as excitation radiation narrow-band illumination radiation triggered fluorescence. This low-intensity fluorescence radiation is imaged over the transmission range of the spectrally selective beam splitter onto an image output unit, which may be a detector and / or an eyepiece.
Von der Probe wird allerdings nicht nur Fluoreszenzstrahlung emittiert, sondern auch Beleuchtungsstrahlung reflektiert. Die reflektierte Beleuchtungsstrahlung ist aus dem Abbildungsstrahlengang zu eliminieren um auf der Bildausgabeeinheit ein reines Fluoreszenzbild zu erhalten. Dazu wird im Abbildungsstrahlengang ein Emissionsfilter angeordnet, dessen Sperrbereich auf die Beleuchtungsstrahlung abgestimmt ist und dessen optische Dichte OD im gesamten Bereich der Beleuchtungsstrahlung hoch ist.From However, the sample is not only emitted fluorescence radiation, but also reflects illumination radiation. The reflected Illumination radiation is to be eliminated from the imaging beam path to obtain a pure fluorescence image on the image output unit. For this purpose, an emission filter is arranged in the imaging beam path, whose Sperrbereich is matched to the illumination radiation and its optical density OD in the entire range of illumination radiation is high.
Dazu
zeigt
Da von einem Anregungsfilter alle anderen als der gewünschte Wellenlängenbereich effizient unterdrückt werden soll, ist in dessen Sperrbereich eine sehr hohe optische Dichte von OD > 5 notwendig. Gleiches gilt hierbei für den Strahlteiler und das Emissionsfilter.There from an excitation filter all other than the desired wavelength range efficiently suppressed is to be in the stopband is a very high optical Density of OD> 5 necessary. The same applies to the beam splitter and the emission filter.
In
Der
sehr komplexe, schichtenweise Aufbau eines für das Anregungsfilter
Hierbei wird von der LED-basierter Mikroskopbeleuchtung ein schmalbandiges Beleuchtungsspektrum (440–540nm) mit einer Bandbreite von 100nm abgestrahlt. Von dem als Bandpassfilter mit einer Bandbreite von etwa 40nm ausge legten Anregungsfilter wird nur das unerwünschte Restlicht herausgefiltert. Durch Anpassung an die LED-basierte Mikroskopbeleuchtung hat das Anregungsfilter eine höhere Transmission und eine steilere Flanke im Durchlassbereich, sowie geringeren Anforderungen an die optische Dichte OD im Sperrbereichin this connection becomes a narrow-band of the LED-based microscope illumination Lighting spectrum (440-540nm) emitted with a bandwidth of 100nm. From that as a bandpass filter With a bandwidth of about 40nm designed excitation filter is only the unwanted Low light filtered out. By adapting to the LED-based microscope illumination the excitation filter has a higher one Transmission and a steeper edge in the passband, as well lower requirements for the optical density OD in the stopband
Auch hier wird diese sehr schmalbandige Beleuchtungsstrahlung über den im Abbildungsstrahlengang angeordneten spektralselektiven Strahlteiler in diesen eingekoppelt und auf die zu untersuchende Probe geleitet. Der spektralselektive Strahlteiler weist dazu einen Transmissionsbereich außerhalb des Bandpassbereiches des Anregungsfilters auf.Also Here is this very narrow band illumination over the arranged in the imaging beam path spectrally selective beam splitter in This coupled and directed to the sample to be examined. The spectrally selective beam splitter has a transmission region for this purpose outside the Bandpassbereiches the excitation filter on.
Von der Probe wird Fluoreszenzstrahlung emittiert und Beleuchtungsstrahlung reflektiert. Um die reflektierte Beleuchtungsstrahlung aus dem Abbildungsstrahlengang zu eliminieren wird auch hier ein Emissionsfilter angeordnet, dessen Sperrbereich auf die Beleuchtungsstrahlung abgestimmt ist und dessen optische Dichte OD im Bereich der Beleuchtungsstrahlung hoch ist, jedoch in den anderen Sperrbereichen geringer sein kann.From the sample is emitted fluorescence radiation and illumination radiation reflected. To the reflected illumination radiation from the imaging beam path To eliminate an emission filter is arranged here, the Sperrbereich is matched to the illumination radiation and its optical density OD in the area of illumination radiation is high, however, may be less in the other restricted areas.
Die somit selektierte Fluoreszenzstrahlung geringer Intensität wird über den Transmissionsbereich des spektralselektiven Strahlteiler auf eine Bildausgabeeinheit, die ein Detektor und/oder ein Okular sein kann, abgebildet.The thus selected fluorescence radiation of low intensity is over the Transmission range of the spectrally selective beam splitter on a Image output unit, which may be a detector and / or an eyepiece, displayed.
Die
grafische Darstellung gemäß
Um
die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung zu verdeutlichen zeigt
die
Im übrigen zeigen
die
Im
Vergleich dazu zeigt die
Die
in
Es
ist zu erkennen, dass der Grauwertebereich in
Mit dem erfindungsgemäßen Spektralfilter-Set für LED-basierte Mikroskopbeleuchtungen wird eine Lösung zur Verfügung gestellt, mit dem kontrastreiche Fluoreszenzbilder mit verbessertem Signal/Rausch-Verhältnis erzeugt werden können.With the spectral filter set according to the invention for LED based Microscope lighting is provided a solution produced with the high-contrast fluorescence images with improved signal-to-noise ratio can be.
Während bei multispektralen Lichtquellen alle nicht erwünschten Wellenlängen unterdrückt werden müssen und die dafür erforderlichen Anforderungen an die entsprechenden Filter sehr hoch sind, können bei der vorgeschlagenen technischen Lösung Filter mit weit geringeren Anforderungen verwendet werden.While at multispectral light sources are suppressed all unwanted wavelengths have to and the one for that necessary requirements for the corresponding filters are very high, can in the proposed technical solution filters with much lower Requirements are used.
Von der LED-basierten Mikroskopbeleuchtung kann jedes beliebige Spektrum als sehr schmalbandiges Band abgestrahlt werden, da die LED's einzeln ansteuer- und regelbar sind. Durch die LED-basierten Mikroskopbeleuchtung wird somit nur Anregungslicht der gewünschten Farbe in den Fluoreszenzstrahlengang eingekoppelt und das Anregungsfilter dient lediglich dazu, unerwünschtes Restlicht aus dem LED-Spektrum herauszufiltern. Dadurch sind die Anforderungen an die optische Dichte OD des Anregungsfilters entsprechend geringer. Da durch das Anregungsfilter kein Licht hoher Intensität herausgefiltert werden muss, sind wesentlich längere Belichtungszeiten von bis zu 20 Sekunden möglich, ohne dass es zu thermischen Reaktionen am Anregungsfilter kommt. Außerdem ist der Falsch- und Streulichtanteil im Fluosrezenzbild wesentlich geringer als bei der Verwendung multispektraler Lichtquellen in Verbindung mit herkömmlichen Filtersätzen.From The LED-based microscope illumination can be any spectrum be emitted as a very narrow band, since the LED's individually controlled and are controllable. Through the LED-based microscope illumination Thus, only excitation light of the desired color in the fluorescence beam path coupled and the excitation filter only serves to unwanted Filter out residual light from the LED spectrum. Thereby are the Requirements for the optical density OD of the excitation filter accordingly lower. Because no high-intensity light filtered out by the excitation filter must be, are much longer exposure times of up to 20 seconds possible, without that thermal reactions occur at the excitation filter. Besides that is the false and scattered light component in the fluorescent image is much lower than when using multispectral light sources in conjunction with conventional Filter sets.
Aufgrund dessen wurde es möglich für LED-basierte Mikroskopbeleuchtungen insbesondere Anregungsfilter zu entwickeln, die eine höherer Transmission und Flankensteilheit aufweisen und somit eine wesentlich effektivere Einkopplung von Anregungslicht ermöglichen, was wiederum zu kontrastreichen und rauschärmeren Fluoreszenzbilder führt.by virtue of it became possible for LED based Microscope illuminators in particular to develop excitation filters, the one higher transmission and slope and thus have a much more effective Enable coupling of excitation light, which in turn to contrast and low noise Fluorescence images leads.
Die LED-Filtersätze mit ihren geringeren Anforderungen an die optische Dichte (OD) im Sperrbereich sind leichter mit einer hohen Transmission im Durchlassbereich und einer steileren Flanke herzustellen, als das bei vergleichbaren herkömmlichen Filtersätzen der Fall ist, da die Zahl der Schichten kleiner ist. Daher sind die LED-Filtersätze weniger aufwendig und kostengünstiger herstellbar.The LED filter sets with their lower requirements on the optical density (OD) in the Barrier area are lighter with a high transmission in the passage area and a steeper edge than that of comparable conventional filter sets the Case is because the number of layers is smaller. Therefore, the LED filter sets less expensive and less expensive produced.
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