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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Selektion und Detektion
mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls, mit einer
Selektionseinrichtung und einer Detektionseinrichtung, wobei im Strahlengang
zwischen der Selektionseinrichtung und der Detektionseinrichtung
ein Mittel zur Unterdrückung
von Reflexions- und/oder
Streulicht eines Beleuchtungslichts eines Mikroskops angeordnet
ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikroskop,
insbesondere Scanmikroskop, mit einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen
der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und sind
beispielsweise in Form eines Spektraldetektors in der
DE 101 02 033 A1 beschrieben.
Aus der
DE 101 02
033 A1 ist es insbesondere bekannt, vor einem Detektor
der Detektionseinrichtung im Detektionsstrahlengang ein Mittel zur
Unterdrückung
von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts eines
Mikroskops anzuordnen. Dabei kann Licht einer Anregungswellenlänge unterdrückt werden,
die von einem Laser erzeugt wird.
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Es
gibt nunmehr Anwendungen, bei denen die Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht
mit den bekannten Mitteln nicht ausreichend ist. Trotz der Verwendung
beispielsweise eines Spektraldetektors und eines AOBS, die gemeinsam
eine Unterdrückung
von Anregungswellenlängen
um den Faktor 10–6 – Spektraldetektor 10–4 bis
10–5 und
AOBS 10–2 – aufweisen,
gelangt häufig
noch soviel Reststreulicht der Anregungswellenlängen in den Spektraldetektor,
das hierdurch die Dynamik, d.h. das S/N-Verhältnis oder Signal-Rausch-Verhältnis erheblich
reduziert ist. Ein leistungsfähiger
Bandpassfilter weist bereits eine Unterdrückung von 10–6 auf.
In Kombination mit einem leistungsstarken dichroitischen Strahlteiler,
der eine Resttransmission der Anregungswellenlänge von ca. 1% aufweist, erhält man somit
eine Gesamtunterdrückung
von ca. 10–8.
Jedoch gerade für
Proben, die nahe am Deckglas beobachtet werden und eine geringe
Intensität
des Anregungs- und/oder
Reflexionslichts liefern, reicht die Restlichtunterdrückung mit
Spektraldetektor und AOBS nicht aus, da beide Signale etwa die gleiche Größenordnung
aufweisen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
sowie ein Mikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, wonach
eine besonders hohe Dynamik mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert
ist.
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Die
voranstehende Aufgabe ist durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach ist die Vorrichtung derart ausgestaltet und weitergebildet,
dass das Mittel einen Verlaufsfilter aufweist.
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In
erfindungsgemäßer Weise
ist erkannt worden, dass durch die Verwendung eines besonderen Filters
eine besonders hohe Unterdrückung
von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts erreichbar
ist. Hierzu ist im Konkreten in weiter erfindungsgemäßer Weise
das Mittel zur Unterdrückung
von Reflexions- und/oder Streulicht derart ausgestaltet, dass das
Mittel einen Verlaufsfilter aufweist. Mit einem Verlaufsfilter ist
eine besonders genaue Anpassung an zu unterdrückende Wellenlängen und
Bandbreiten von Wellenlängen
ermöglicht. Damit
können
auch Proben sicher untersucht werden, die nahe am Deckglas beobachtet
werden und eine geringe Intensität
des Anregungs- und/oder Reflexionslichts liefern.
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Folglich
ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine Vorrichtung angegeben, bei der eine besonders hohe Dynamik
mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert ist.
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Im
Hinblick auf eine besonders einfache Positionierung bei gleichzeitig
hoher Wirksamkeit des Verlaufsfilters könnte der Verlaufsfilter zwischen
einem Spiegelschieber und einem Detektor der Detektionseinrichtung
angeordnet sein. Hierbei ist eine besonders sichere Unterdrückung der
Anregungswellenlänge
oder der Anregungswellenlängen
realisiert. Im Konkreten könnte
der Verlaufsfilter in einem Multibanddetektor zwischen dem Spiegelschieber
und einem Photomultiplier angeordnet sein.
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Hinsichtlich
eines vielfältigen
Einsatzes des Verlaufsfilters könnte
der Verlaufsfilter Langpassfilter mit unterschiedlichen Charakteristika
aufweisen. Mit anderen Worten könnten
verschiedene Langpassfilter in den Verlaufsfilter integriert sein.
Hierdurch könnte
beispielsweise einem oder mehreren Kanälen oder sämtlichen Kanälen eines
Detektors oder Photomultipliers jeweils einzelne Filter in Form
beispielsweise der Langpassfilter zugeordnet werden. Hierdurch ist
eine besonders sichere und individuelle Unterdrückung von Reflexions- und/oder
Streulicht ermöglicht.
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Zur
Gewährleistung
einer besonders hohen Flexibilität
und eines besonders hohen Maßes
der Anpassbarkeit an die Art der vorliegenden spektralen Aufspaltung
könnten
die Langpassfilter austauschbar sein. Hierdurch ist eine individuelle
und auf den jeweiligen Einsatzfall abstimmbare Ausgestaltung des Verlaufsfilters
ermöglicht.
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Verlaufsfilter
werden beispielsweise von der Ocean Optics kommerziell angeboten,
die dort als LVF-H High-Pass Filter angeboten werden. Hierbei handelt
es sich um linear variable Filter.
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Im
Konkreten könnte
der Verlaufsfilter derart aufgebaut sein, dass die Langpassfilter
hintereinander angeordnet sind. In konstruktiv besonders einfacher
und kompakter Weise könnten
die Langpassfilter auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein.
Hierdurch wäre
eine einfache Handhabbarkeit des gesamten Verlaufsfilters realisiert.
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Die
Selektionseinrichtung einer Vorrichtung zur Selektion und Detektion
mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls weist üblicherweise
ein spektral aufspaltendes Element auf. Hierbei kann es sich beispielsweise
um ein Gitter oder um ein Prisma handeln. Hinsichtlich einer besonders
wirkungsvollen Unterdrückung
von Reflexions- und/oder Streulicht könnte der Verlaufsfilter eine
Filterstruktur aufweisen, die im Wesentlichen und vorzugsweise genau
der spektralen Aufspaltung eines spektral aufspaltenden Elements
der Selektionseinrichtung – vorzugsweise
an der Position des Verlaufsfilters – entspricht oder an diese
angepasst ist. Mit anderen Worten liegt hier eine vorzugsweise exakte
Abstimmung des Verlaufsfilters auf das spektral aufspaltende Element
vor.
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Insbesondere
im Fall eines linear aufspaltenden Elements der Selektionseinrichtung
könnte
die Filterstruktur des Verlaufsfilters an die Segmente eines Zeilendetektors
der Detektionseinrichtung derart angepasst sein, dass immer nur
ein genau vorgebbarer spektraler Anteil auf das Zeilensegment auftrifft. Jegliches
Streulicht oder Reflexionslicht wäre dabei unterdrückt. Im
Konkreten könnte
dies bei einem als linear aufspaltendes Element dienenden Gitter
in Verbindung mit einem Mehranoden-Photomultiplier erfolgen.
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Im
Falle eines nicht linear aufspaltenden Elements, beispielsweise
ein Prisma, könnte
die Filterstruktur des Verlaufsfilters auch an dieses nicht linear aufspaltende
Element der Selektionseinrichtung angepasst sein. Der erfindungsgemäße Ver laufsfilter weist
die entsprechende Variabilität
auf, die eine Anpassung an sowohl linear als auch an nicht linear
aufspaltende Elemente ermöglicht.
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Bei
einer konkreten Ausgestaltung könnte die
Detektionseinrichtung einen Photomultiplier aufweisen, der als Mehranoden-
oder Mehrkanal-Photomultiplier ausgebildet sein könnte.
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Der
Verlaufsfilter oder die Verlaufsfilter könnten stationär vor dem
Photomultiplier nahe der Fokuslinie angeordnet sein. Der Verlaufsfilter
oder die Verlaufsfilter müssen
nicht mehr verschoben werden, wenn sie zusammen mit einem Spiegelschieber
oder Spiegelschiebern kalibriert worden sind.
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Zur
Abbildung der Spektralbereiche auf den oder die Verlaufsfilter oder
auf die Detektionseinrichtung könnten
Mikrolinsen verwendet werden.
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Die
obige Aufgabe wird ebenfalls durch ein Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop,
mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 gelöst. Hinsichtlich
der Ausgestaltung des Mikroskops bezüglich der Vorrichtung zur Selektion
und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls
wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehende Beschreibung
verwiesen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine Vorrichtung realisiert, bei der die Dynamik deutlich erhöht ist.
Störendes
Streulicht und Reflexionslicht wird signifikant unterdrückt. Dabei
werden die erfindungsgemäß eingesetzten
Verlaufsfilter auch als Graded Index Filter bezeichnet.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten
und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits
auf die nachfolgende Erläuterung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines
Lichtstrahls zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 in
einer schematischen Darstellung ein Scanmikroskop mit einem Mittel
zur Unterdrückung
von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts,
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2 in
einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines
Lichtstrahls,
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3 in
einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines
Lichtstrahls, wobei die Vorrichtung in einem Scanmikroskop angeordnet
ist,
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4a in
einer schematischen Darstellung die Anordnung eines Verlaufsfilters
bei einem linear aufspaltenden Gitter und
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4b in
einer schematischen Darstellung die Anordnung eines Verlaufsfilters
bei einem nicht linear aufspaltenden Prisma.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Scanmikroskop 10 mit
einer Lichtquelle 1, die als Laser ausgebildet ist. Der
durch den Laser erzeugte Beleuchtungslichtstrahl 15 wird
durch ein Beleuchtungspinhole 12 über einen dichroitischen Strahlteiler 5 zu
einem Scanmodul 29 geführt,
das einen kardanisch aufgehängten
Scanspiegel 31 aufweist, der den Beleuchtungslichtstrahl 15 über eine Scanoptik 33,
die Optik 35 und durch die Mikroskopoptik 37 hindurch über bzw.
durch eine Probe 39 führt.
Das von der Probe ausgehende Licht 43 definiert einen Beobachtungsstrahlengang 17 und
gelangt durch die Mikroskopoptik 37 und über das Scanmodul 29 zum
dichroitischen Strahlteiler 5, passiert diesen und trifft
auf einen Detektor 3 der als einzelner Photomultiplier
ausgeführt
ist. Dabei passiert das Licht 43 ein Detektionspinhole 19 und
eine Optik 8. Vor dem Detektor 3 ist ein Mittel 40 zur
Unterdrückung
von Reflexions- und/oder Streulicht angeordnet.
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2 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines
Lichtstrahls. Das Licht 43 wird mit einer nicht dargestellten Optik
auf ein Element 22 zum spektralen Auffächern abgebildet. Das Element 22 ist
durch ein Prisma gebildet. Der aufgefächerte Lichtstrahl 24 trifft über ein Fokussiermittel 26 auf
eine Spaltdetektoranordnung 50. Die Spaltdetektoranordnung 50 wird
zur Detektion zweier Spektralbereiche des aufgefächerten Lichtstrahls 24 verwendet.
Hierzu ist eine Selektionseinrichtung 44 und eine Detektionseinrichtung 46 vorgesehen.
Die Selektionseinrichtung 44 umfasst Mittel 45 zum
Ausblenden eines ersten Spektralbereichs und andererseits zur Reflexion
zumindest eines Teils 45b des nicht ausgeblendeten Spektralbereichs.
Die Detektionseinrichtung 46 weist einen im Strahlengang
des ausgeblendeten ersten Spektralbereichs angeordneten ersten Detektor 47 und
einen im Strahlengang des reflektierten Teils 45b des Spektralbereichs
angeordneten zweiten Detektor 48 auf.
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2 zeigt
des Weiteren, dass vor dem zweiten Detektor 48 eine Blende 42 vorgesehen
ist, mit der ein weiterer Teil des reflektierten Teils 45b des Spektralbereichs 45b ausgewählt werden
kann, bevor er auf den zweiten Detektor 48 gelangt. Die
Mittel 45 zum Ausblenden sind jeweils als Spaltblende ausgeführt, wobei
zur Reflexion zumindest eines Teils des nicht ausgeblendeten Spektralbereichs
auf einer dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche jeweils
eine totalreflektierende Beschichtung 49 vorgesehen ist.
Die Mittel 45 zum Ausblenden können zur Realisierung eines
Spiegelschiebers 45 in die durch die Doppelpfeile in 2 angedeuteten
Richtungen mechanisch verschoben werden, um somit einen gewünschten
Spektralbereich für
die Untersuchung auszuwählen.
Der Verlaufsfilter ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
zwischen dem ersten Detektor 47 und dem Mittel 45 zum
Ausblenden des ersten Spektralbereichs angeordnet.
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3 zeigt
das Scanmikroskop 10 aus 1 mit einem
zweiten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls 43.
Die Vorrichtung weist ein Element 22 zum spektralen Auffächern in
Form eines Prismas auf. Der aufgefächerte Lichtstrahl 24 wird über ein Fokussiermittel 26 auf
den Verlaufsfilter 41 abgebildet, der auf einem Mehrkanalphotomultiplier 28 angeordnet
ist.
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4a zeigt
in einer schematischen Darstellung die Kombination des Verlaufsfilters 41 mit
einem Gitter, das eine lineare Aufspaltung des von der Probe ausgehenden
Lichts erzeugt.
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4b zeigt
in einer schematischen Darstellung die Kombination eines Verlaufsfilters 41 mit
einem eine nicht lineare Aufspaltung liefernden Prisma.
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Sowohl
bei einer linearen Aufspaltung als auch bei einer nicht linearen
Aufspaltung kann die Filterstruktur des Verlaufsfilters 41 derart
ausgebildet sein, dass hier eine exakte Anpassung an die jeweilige
spektrale Aufspaltung vorliegt. Der Dispersionsverlauf der Aufspaltung
kann durch den Verlaufsfilter 41 abgebildet werden. Mit
anderen Worten ist die Auswahl und Anordnung unterschiedlicher Langpassfilter
derart realisierbar, dass mit den einzelnen Langpassfiltern eine
Abstimmung auf einzelne Spektralbereiche des aufgespaltenen Lichts
vorliegt. Hierdurch ist eine besonders wirksame Restlichtunterdrückung erreicht.
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Hinsichtlich
weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Mikroskops
wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der
Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
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Schließlich sei
ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
lediglich zur Erörterung
der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele
einschränken.