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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für eine optische Anordnung, insbesondere für ein Konfokalmikroskop, mit einem Detektor, einer in einem Strahlengang eines Detektionslichts vor dem Detektor angeordneten Lochblende, einer vor der Lochblende angeordneten Linse zur Fokussierung des Detektionslichts auf die Lochblende und einem im Strahlengang vor der Linse angeordneten Mittel, das die Linse wellenlängenabhängig ausleuchtet. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Konfokalmikroskop.
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Detektionsvorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichen Ausführungsformen. Derartige Detektionsvorrichtungen finden ihre Anwendung unter anderem in Konfokalmikroskopen, insbesondere in konfokalen Scanmikroskopen. Dabei wird ein Detektionslicht über eine Linse auf eine Lochblende und einen hinter der Lochblende angeordneten Detektor geleitet. Als Detektor wird häufig ein Photomultiplier verwendet, mit dem Detektionslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen nachgewiesen werden kann. Derartiges Detektionslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen wird beispielsweise von unterschiedlichen Farbstoffen emittiert, die sich in der zu untersuchenden Probe befinden.
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Die Auflösung und die Detektionseffizienz eines Konfokalmikroskops werden wesentlich durch den Durchmesser der Lochblende beeinflusst und ändern sich bei feststehendem Durchmesser linear mit der Wellenlänge des Detektionslichts. Daher können bei einer Lochblende mit feststehendem Durchmesser die Auflösung und Detektionseffizienz nur für eine Wellenlänge optimiert werden. Bei gleichzeitiger Detektion beispielsweise mehrerer Farbstoffe ergeben sich unterschiedliche räumliche Auflösungsvermögen für unterschiedliche Farbstoffe. Auch bei der Verwendung mehrerer Lochblenden für unterschiedliche Detektionspfade bzw. Detektionswellenlängen erreicht man kein einheitliches Auflösungsvermögen, da beispielsweise Farbstoffe ein Detektionsband und keine diskrete Wellenlänge emittieren.
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Bei den bekannten Detektionsvorrichtungen wird die Wellenlängenabhängigkeit der Auflösung entweder ignoriert oder es werden — wie oben erwähnt — mehrere Detektionslochblenden für unterschiedliche Detektionspfade bzw. Detektionswellenlängen verwendet. Neben der fehlenden Optimierbarkeit der Auflösung bei von Farbstoffen emittierten Detektionsbändern ist im letztgenannten Fall darüber hinaus nachteilig, dass regelmäßig mehrere Lochblenden vom Benutzer justiert werden müssen. Dies macht die Detektionsvorrichtung bzw. ein mit der Detektionsvorrichtung versehenes Konfokalmikroskop hinsichtlich der Bedienung aufwendig.
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Aus der
US 6 108 127 A ist eine Detektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt. Insbesondere weist die bekannte Detektionsvorrichtung ein Mittel 42 zur wellenlängenabhängigen Ausleuchtung der Linse vor der Lochblende auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Detektionsvorrichtung sowie ein Konfokalmikroskop mit einer derartigen Detektionsvorrichtung anzugeben, wonach eine hohe Auflösung und Detektionseffizienz auch bei Detektionslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert sind.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Detektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Detektionsvorrichtung der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Ausleuchtung der Linse derart vorgebbar ist, dass die numerische Apertur des durch die Linse erzeugten Beleuchtungskegels proportional zur Wellenlänge des Detektionslichts ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung ist es zur Optimierung der Auflösung und Detektionseffizienz auch bei unterschiedlichen Wellenlängen des Detektionslichts nicht erforderlich, mehrere Detektionspfade mit mehreren Lochblenden in einer Detektionsvorrichtung bereitzustellen. Zur Untersuchung der Auflösung ist dabei von Bedeutung, dass jedes selbstleuchtende punktförmige Objekt als ein Airy-Scheibchen abgebildet wird und dass der Umfang der Ausleuchtung der Linse den Radius des Airy-Scheibchens über die Größe der erzeugten numerischen Apertur direkt beeinflusst. Mit der Möglichkeit der wellenlängenabhängigen Ausleuchtung der Linse besteht somit die Möglichkeit, den Radius und damit die Größe des Airy-Scheibchens für alle Wellenlängen konstant zu halten. Hierdurch ist die Möglichkeit geschaffen, bei Vorliegen einer vorgegebenen Lochblende durch einmalige Justierung die Auflösung und Detektionseffizienz auch für Detektionslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen auf hohem Niveau konstant zu halten.
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Die Ausleuchtung der Linse ist derart vorgebbar, dass die numerische Apertur des durch die Linse erzeugten Beleuchtungskegels im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Detektionslichts ist. Hierbei ist der Radius des Airy-Scheibchens in der Lochblende konstant gehalten, da der Radius des Airy-Scheibchens proportional zu dem Quotienten aus Wellenlänge und numerischer Apertur ist. D. h., wenn die numerische Apertur proportional mit der Wellenlänge des Detektionslichts anwächst, bleibt der Radius des Airy-Scheibchens konstant. Dabei ist weiterhin berücksichtigt, dass die numerische Apertur bei gegebenem Brechungsindex proportional zum Sinus des Öffnungswinkels des Beleuchtungskegels ist, NA = n·sin(u), wobei NA die numerische Apertur ist, n der Brechungsindex ist und u der größtmögliche Winkel zwischen einem Lichtstrahl und der optischen Achse ist, bei welchem der Lichtstrahl noch durch die Linse oder das Objektiv gesammelt werden kann. Dabei ist weiter berücksichtigt, dass für kleine Winkel der Sinus gleich dem Tangens ist. Es gilt für den Radius r des Airy-Scheibchens, die Wellenlänge λ und die numerische Apertur NA: r ~ λ/NA.
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In konstruktiv besonders einfacher Weise könnte das Mittel ein wellenlängenabhängiger Strahlaufweiter sein. Je nach Wellenlänge ist dann ein unterschiedlicher Strahldurchmesser erreichbar, der zu einer unterschiedlichen Ausleuchtung der Linse vor der Lochblende führt.
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In weiter konstruktiv einfacher Weise könnte der Strahlaufweiter zwei Linsen oder Linsensysteme aufweisen, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe ihrer jeweiligen Brennweiten entspricht. Hierdurch ist eine besonders einfache und sichere wellenlängenabhängige Strahlaufweitung realisiert.
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Im Konkreten könnte die Brennweite der ersten Linse oder des ersten Linsensystems mit der Wellenlänge des Detektionslichts zunehmen, wobei im Gegenzug die Brennweite der zweiten Linse oder des zweiten Linsensystems mit der Wellenlänge des Detektionslichts abnehmen könnte. Dabei könnte weiterhin realisiert sein, dass die Zunahme der Brennweite der ersten Linse oder des ersten Linsensystems mit der Wellenlänge des Detektionslichts im gleichen Maß realisiert ist wie die Abnahme der Brennweite der zweiten Linse oder des zweiten Linsensystems mit der Wellenlänge des Detektionslichts. Hierdurch ist eine besonders sichere Strahlaufweitung und Ausleuchtung der Linse dahingehend realisiert, dass die numerische Apertur des durch die Linse erzeugten Beleuchtungskegels im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Detektionslichts ist. Im Ergebnis bleibt der Radius des Airy-Scheibchens auch bei Vorliegen unterschiedlicher Wellenlängen konstant.
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Mit dem oben beschriebenen wellenlängenabhängigen Strahlaufweiter ist ein Mittel zur wellenlängenabhängigen Ausleuchtung der Linse einer Detektionsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bereitgestellt, wobei der wellenlängenabhängige Strahlaufweiter einfach konstruierbar ist.
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Mit dem gemäß Patentanspruch 8 beanspruchten Konfokalmikroskop, insbesondere konfokales Scanmikroskop, ist ein Konfokalmikroskop beansprucht, das eine Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist. Insoweit wird hinsichtlich der gemäß den Patentansprüchen 1 bis 7 erläuterten Ausgestaltung und deren Vorteile zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehende Beschreibung verwiesen.
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Mit der voranstehend beschriebenen Erfindung ist folglich die Wellenlängenabhängigkeit der Auflösung und Detektionseffizienz beseitigt. Für alle Wellenlängen erhält man mit der vorliegenden Erfindung die gleiche Detektionseffizienz und Auflösung. Die Größe des Airy-Scheibchens bleibt wellenlängenunabhängig.
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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 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre 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 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung für eine optische Anordnung und
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2 in einer weiteren schematischen Darstellung einen Teil des Ausführungsbeispiels aus 1.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung für eine optische Anordnung. Die Detektionsvorrichtung kann insbesondere im Rahmen eines Konfokalmikroskops verwendet werden. Die Detektionsvorrichtung weist einen hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten Detektor auf, der durch einen Photomultiplier realisiert sein kann. Des Weiteren weist die Detektionsvorrichtung eine in einem Strahlengang 1 eines Detektionslichts vor dem Detektor angeordnete Lochblende 2 und eine vor der Lochblende 2 angeordnete Linse 3 zur Fokussierung des Detektionslichts auf die Lochblende 2 auf. Im Hinblick auf eine hohe Auflösung und Detektionseffizienz auch bei Detektionslicht mit unterschiedlichen Wellenlängen ist im Strahlengang 1 vor der Linse 3 ein Mittel 4 zur wellenlängenabhängigen Ausleuchtung der Linse 3 angeordnet. Die Ausleuchtung der Linse 3 ist dabei derart vorgebbar, dass die numerische Apertur des durch die Linse 3 erzeugten Beleuchtungskegels 5 im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Detektionslichts ist. Dies ist im Rahmen der 1 anhand zweier Wellenlängen von 400nm und 800nm dargestellt. Der Strahldurchmesser bei dem Lichtstrahl mit 800nm Wellenlänge ist dabei größer als der Durchmesser des Lichtstrahls mit einer Wellenlänge von 400nm.
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Da der Radius r des Airy-Scheibchens in der Lochblende proportional zum Quotienten aus der Wellenlänge und der numerischen Apertur ist, bleibt der Radius des Airy-Scheibchens konstant, wenn die numerische Apertur des durch die Linse 3 erzeugten Beleuchtungskegels 5 im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Detektionslichts ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Mittel 4 zur wellenlängenabhängigen Ausleuchtung der Linse 3 ein wellenlängenabhängiger Strahlaufweiter 6. Der Strahlaufweiter 6 weist zwei Linsensysteme 7 und 8 auf, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe ihrer jeweiligen Brennweiten entspricht. Die Brennweite des ersten Linsensystems 7 nimmt mit der Wellenlänge des Detektionslichts zu. Die Brennweite des zweiten Linsensystems 8 nimmt mit der Wellenlänge des Detektionslichts ab. Die Zunahme und Abnahme der Brennweite erfolgt dabei im gleichen Maß oder Umfang mit der Wellenlänge.
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Der in 1 gezeigte optische Aufbau kann auch als achromatische variable Detektionslochblende bezeichnet werden, wobei die Linse 3 als Achromat bezeichnet werden könnte.
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2 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung einen Teil des Ausführungsbeispiels aus 1, wobei der Übersichtlichkeit halber die in 1 gezeigte Lochblende 2 weggelassen ist.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
