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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die konfokale
Beobachtung einer Probe gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Vor über 100
Jahren beschrieb der deutsche Erfinder Paul Nipkow ein Verfahren
zur Bildaufnahme mit einer Vielzahl von Beleuchtungspunkten, die
auf einer Lochmaske so angeordnet sind, dass bei Rotation der Lochmaske
um eine zentrale Drehachse alle zu beleuchtenden Punkte nacheinander – jeweils möglichst
gleich lang – beleuchtet
werden. Eine solche Lochmaske wird auch als „Nipkow-Scheibe" bezeichnet. Mit
diesem Verfahren lassen sich auch sogenannte konfokale Mikroskopbilder
aufnehmen, indem man Beleuchtungs- und Bildstrahlengang in umgekehrter
Strahlrichtung durch die gleiche Lochmaske führt, wodurch von außerhalb
der Objektebene stammendes Licht ausgeblendet und eine gute Tiefenauflösung erhalten
werden kann.
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Ein
derartiges Konfokalmikroskop nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch
gezeigt. Das Mikroskop umfaßt
ein Objektiv 10, mit dessen Hilfe eine Probe 12 in
der Objektebene 14 mit Beleuchtungslicht 16 beleuchtet
wird und das von der Probe 12 reflektierte oder emittierte
Licht aufgesammelt und – üblicherweise
mit Hilfe einer Tubuslinse 18 – in die Zwischenbildebene
abgebildet wird, wo eine um eine Achse 20, die parallel
zum Strahlengang orientiert ist, rotierende Lochmaske (Nipkow-Scheibe) 22 angeordnet
ist, auf die ein geeignetes Öffnungsmuster 24 aufgebracht
wurde, welches konzentrisch um die Drehachse 20 angeordnet
ist. Die Trennung bzw. Vereinigung von Beleuchtungsstrahlengang
und Bildstrahlengang mittels eines Strahlteilers 26 findet dabei
vom Objektiv 10 aus gesehen hinter der Nipkow-Scheibe bzw.
Lochmaske 22 statt, wobei das von der Probe 12 emittierte
bzw. reflektierte Licht auf einen Detektor 28 fällt bzw.
abgebildet wird. Eine solche Anordnung ist insbesondere bei der
Fluoreszenzmikroskopie von Vorteil, weil dort Beleuchtung bzw. Anregung
und Emission bei unterschiedlichen Wellenlängen stattfinden, so dass sich
das Beleuchtungslicht und das Emissionslicht im wesentlichen verlustfrei
voneinander separieren lassen, wenn der Strahlteiler 26 als
Farbteiler ausgebildet ist. In dem Beispiel von 1 läßt dabei
der Strahlteiler 26 das Emissionslicht durch, während das
Beleuchtungslicht 16 reflektiert wird. Bei einer solchen
Anordnung wird die Lochmaske 22 einerseits mittels der
Tubuslinse 18 und dem Objektiv 12 in die Objektebene 14 und damit
auf die Probe 12 abgebildet, und sie wird andererseits,
typischerweise mittels zweier Projektive 30 auf den Detektor 30 abgebildet,
indem das Zwischenbild zunächst
ins Unendliche und danach auf den Detektor 28 abgebildet
wird. Wie aus 1 ersichtlich ist, wird jeweils
immer nur ein Teilbereich der Nipkow-Scheibe bzw. Lochmaske 22 beleuchtet.
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Die
gewünschte
Konfokalität
wird dadurch erzielt, dass nur ein kleiner Bruchteil der Probe
12 in der
Objektebene
14 gleichzeitig mit dem Beleuchtungslicht
16 beleuchtet
wird, nämlich
nur dort, wo jeweils eine Öffnung
der Lochmaske
22 auf die Probe
12 abgebildet wird,
und sich diese Beleuchtungspunkte jeweils weit genug voneinander
entfernt befinden, damit das durch die entsprechende Öffnung in der
Lochmaske
22 gelangte Beleuchtungslicht
16 nicht
oder nur geringfügig
durch von der Probe
12 stammendes reflektiertes Licht oder
Emissionslicht verfälscht
ist, das durch eine benachbarte Öffnung
in der Lochmaske
22 verursacht wurde. Die Öffnungen der
Lochmaske
22 wirken somit als konfokale Blenden. Bei einem
System gemäß
1 wird üblicherweise
von dem Anregungslicht
16 nur der Teil genutzt, der durch
die Öffnungen
der Lochmaske
22 hindurch fällt, während der übrige Teil des Beleuchtungslichts
16 ausgeblendet
wird, so dass solche Systeme einen relativ geringen Wirkungsgrad
aufweisen und deshalb relativ lichtschwach sind. Ein Beispiel für ein solches
System ist in der
US 6,147,798 zu
finden.
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Ein
System bzw. Verfahren, mit welchem der Lichtdurchsatz bei einem
konfokalen Mikroskop mit Nipkow-Scheibe gesteigert werden kann,
ist beispielsweise in der gattungsgemäßen
EP 0 539 691 A2 beschrieben.
Die dort beschriebene optische Anordnung ist in den
2 und
3 schematisch
dargestellt. Dabei ist axial versetzt zu der Lochmaske
22 eine
Mikrolinsenanordnung
34 vorgesehen, die in ihrer Geometrie
auf das Lochmuster
24 abgestimmt ist und sich synchron
mit der Lochmaske
22 um die gleiche Drehachse
20 dreht.
Jede Mikrolinse
36 der Mikrolinsenanordnung
34 ist
dabei auf einer Scheibe
38 angeordnet und dient dazu, den
auf die jeweilige Mikrolinse
36 fallenden Anteil des Beleuchtungslichts
16 für die zugeordnete Öffnung
32 der
Lochmaske
22 zu konzentrieren, d. h. auf einen Brennpunkt
zu fokussieren, der in der entsprechenden Öffnung
32 liegt. Für jede Öffnung
32 der
Lochmaske
22 gibt es somit eine konjugierte Mikrolinse
36 in
der Mikrolinsenanordnung
34. Da sich die Lochmaske
22 in
der Brennebene der Mikrolinsen
36 befindet, kann auf diese
Weise der Lichtdurchsatz erheblich gesteigert werden, zumindest
wenn es sich bei dem Beleuchtungs lichtstrahl
16 um einen
kohärenten
Laserlichtstrahl handelt. Ein Problem bei diesem Ansatz besteht
jedoch darin, dass die Strahlteilung im konvergenten Strahlengang
zwischen den beiden Scheiben
22 und
38 erfolgt,
wo aufgrund der kurzen Brennweite der Mikrolinsen
36 wenig
Raum für
den Strahlteiler
26 ist, der in diesem Fall als Kurzpaßfilter
ausgebildet sein muß.
Der Strahlteiler
26 darf zur Vermeidung von Bildfehlern
durch Oberflächenungenauigkeiten nicht
zu dünn
ausfallen. Eine entsprechende Dicke des Strahlteilers
26 erzeugt
jedoch einen mit der Neigung des Strahlteilers
26 zunehmenden
Strahlversatz, der linear in die Richtung der Neigung weist. Bei zwei
sich synchron drehenden Scheiben
22 und
38 mit
radial angeordnetem Muster führt
das dazu, dass der Fokuspunkt der Mikrolinsen
36 nicht
immer mit der entsprechenden Lichtdurchlaßöffnung
32 der Lochmaske
22 übereinstimmt.
Dies muß durch
eine Neigung der einen Scheibe relativ zu der anderen ausgeglichen
werden.
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Bei
einer Nipkow-Scheibe sind die Öffnungen üblicherweise
in mehreren ineinander greifenden spiralförmigen Bahnen bzw. Schalen
angeordnet. Da ein konfokales Mikroskop eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung
des Beobachtungsfelds erfordert, müssen, sofern die Öffnungen
an allen Stellen gleich groß sind
und die Beleuchtung gleichmäßig ist,
alle Punkte des Gesichtsfelds exakt gleich lang beleuchtet werden.
Dies gilt entsprechend auch für
die verwendeten Mikrolinsen. Gemäß der
EP 0 539 691 A2 wird
die gleichmäßige Probenbeleuchtung
dadurch erzielt, dass der tangentiale Abstand benachbarter Öffnungen
konstant gehalten wird und zugleich der radiale Abstand zwischen
benachbarten Schalen der Öffnungen
unabhängig
vom Radius r ebenfalls auf dem gleichen Wert konstant gehalten wird.
Damit variiert der radiale Abstand zwischen benachbarten Öffnungen
zwischen dem Wert 1 × r
und dem Wert 1,12 × r,
und der Füllfaktor
reduziert sich bei Verwendung kreisförmiger Mikrolinsen auf maximal
78,5%.
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Weitere
gattungsgemäße konfokale
Mikroskope mit einem Strahlteiler zwischen einer Nipkow-Scheibe
und einer axial versetzt synchron dazu drehenden Mikrolinsenanordnung
sind beispielsweise in der
DE
103 50 918 B3 ,
EP
1 168 029 A2 und
US 2003/0215121 A1 beschrieben.
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In
der
EP 0 753 779 B1 ist
ein abgewandeltes konfokales Mikroskop beschrieben, wobei in dem Bereich
zwischen der Mikrolinsenscheibe und der Nipkow-Scheibe Spiegel vorgesehen sind,
um das Licht zwecks Abbildung und Strahlteilung in radialer Richtung
aus dem Raum zwischen den beiden Scheiben herauszuführen.
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In
der
EP 1 359 452 A1 ist
ein konfokales Mikroskop beschrieben, bei welchem vom Objektiv aus gesehen
vor der synchron mit der Nipkow-Scheibe rotierenden Mikrolinsenscheibe
eine axial dazu versetzt angeordnete zweite Mikrolinsenscheibe vorgesehen
ist, die ebenfalls synchron mit der Nipkow-Scheibe rotiert und auf
die erste Mikrolinsenscheibe genau abgestimmt ist, um einen Unendlichraum,
d. h. parallelen Strahlengang, zwischen den beiden Mikrolinsenscheiben
zu erzeugen, in welchem der Strahlteiler angeordnet ist. Problematisch sind
hierbei die mechanischen Anforderungen, die sich aus der Forderung
ergeben, dass die beiden Mikrolinsenscheiben jederzeit exakt aufeinander
abgestimmt sein müssen.
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In
der
US 5,760,950 ist
ein konfokales Mikroskop beschrieben, welches keine Mikrolinsen
verwendet, wobei ein radialer Bereich, der von der sich drehenden
Nipkowscheibe erfaßt
wird, mit Licht aus der Lichtquelle beleuchtet wird, das durch diesen
ersten Bereich gelangte Beleuchtungslicht mittels eines Pentaprismas
um 90° umgelenkt
wird, und das umgelenkte Licht mittels eines Strahlteilers nochmals um
90° umgelenkt
wird und zur Beleuchtung eines zweiten von der sich drehenden Nipkowscheibe
erfaßten
radialen Bereichs dient, welcher genau gegenüberliegend zu der Drehachse,
d. h. in Umfangsrichtung um 180° versetzt,
angeordnet ist. Der zweite Bereich der Nipkow-Scheibe wird mittels
des Objektivs auf die Probe abgebildet, und das von der Probe stammende
Licht wird durch diesen zweiten Bereich der Nipkow-Scheibe räumlich gefiltert,
bevor es auf den Detektor abgebildet wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konfokale Vorrichtung
zu Beobachten einer Probe mit einer rotierenden Lochmaske zu schaffen,
welche möglichst
lichtstark ist und dennoch relativ einfach aufgebaut ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
konfokale Vorrichtungen gemäß Anspruch
1, 27 bzw. 38.
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Bei
der Lösung
gemäß Anspruch
1 ist vorteilhaft, dass dadurch, dass in dem Strahlengang zwischen
der Maske mit den Öffnungen
und den Mikrooptiken eine optische Anordnung vorgesehen ist, um einen
Unendlichraum zu erzeugen, in welchem der Strahlteiler angeordnet ist,
einerseits aufgrund der Mikrooptiken eine hohe Konzentration des
Beleuchtungslichts auf die Öffnungen
der Maske und damit eine hohe Lichtstärke erzielt werden kann, während andererseits
beim Strahlteiler aufgrund seiner Anordnung in dem Unendlichraum
auf konstruktiv einfache Weise ein Strahlversatz am Strahlteiler
vermieden wird. Insbesondere sind weder eine zusätzliche Mikrolinsenanordnung
wie in der
EP 1 359
452 A1 noch konstruktive Korrekturmaßnahmen bezüglich eines Strahlversatzes
am Strahlteiler wie in der
EP
0 539 691 A2 erforderlich.
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Vorzugsweise
wird der Unendlichraum mittels zweier Projektive der optischen Anordnung
erzeugt, zwischen denen der Strahlteiler angeordnet ist (statt zweier
Projektive könnte
man jedoch auch andere fokussierende optische Elemente, wie normale Linsen,
holographische Elemente oder Spiegel, verwenden). Dabei ist zu berücksichtigen,
dass eine Zwischenabbildung, wie sie z. B. mit Hilfe zweier Projektive
bewirkt wird, ein spiegelbildliches Abbild des sich drehenden, von
den Mikrooptiken erzeugten Fokusmuster erzeugt, welches sich demnach
in entgegengesetzter Richtung zu dem Fokusmuster bzw. dem Mikrooptikenmuster
dreht. Dem kann beispielsweise dadurch Rechnung getragen werden,
(1) dass sich eine zweite Abbildung anschließt, welche die Spiegelung wieder
rückgängig macht,
beispielsweise mittels zweier weiterer Projektive, (2) dass man
ein bildinvertierendes Roof-Prisma vorsieht, welches die erforderliche
Strahldrehung bewirkt, oder (3) dass die Anordnung des Mikrooptikenmusters
und des Öffnungsmusters
zueinander so gewählt
wird, dass auf ein Rückgängigmachen
der spiegelbildlichen Abbildung durch die beiden Projektive verzichtet
werden kann. Letzteres kann dadurch erfolgen, dass man für das Mikrooptikenmuster
und das Öffnungsmuster
getrennte Drehachsen vorsieht, wobei die beiden Drehachsen im einen
Fall parallel zueinander stehen und die beiden Muster unter axialem
Versatz in einem Teilbereich überlappen,
oder im anderen Fall in einem Winkel, vorzugsweise senkrecht, zueinander stehen.
Gemäß einer
bevorzugten Variante sind die Öffnungen
der Maske und die Mikrooptikenanordnung jeweils konzentrisch um
eine gemeinsame zentrale Drehachse angeordnet, wobei die Öffnungen der
Maske und die Mikrooptikenanordnung jedoch radial zueinander versetzt
sind. Dies hat den Vorteil, dass die Mikrooptikenanordnung und die
Maske auf einer gemeinsamen Scheibe angeordnet werden können, so
dass eine Synchronisation zwischen unterschiedlichen Scheiben entfällt.
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Bei
den Mikrooptiken handelt es vorzugsweise um Mikrolinsen.
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Bei
der Lösung
gemäß Anspruch
27 ist vorteilhaft, dass dadurch, dass die Öffnungen der Maske und die
Mikrooptikenanordnung zueinander feststehend und jeweils konzentrisch
um die zentrale Achse, jedoch zueinander radial versetzt, angeordnet sind,
eine einfache und stabile mechanische Anordnung der Maske und der
Mikrooptikenanordnung, insbesondere auf einer einzigen Scheibe,
ermöglicht wird
und zudem eine besonders gute Zugänglichkeit der Maske und der
Mikrooptikenanordnung für
die Plazierung optischer Elemente, z. B. des Strahteilers, bei minimaler
Bauraumbeschränkung
erreicht wird.
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Bei
der Lösung
gemäß Anspruch
38 ist vorteilhaft, dass dadurch, dass die Mikrooptiken als fokussierende
Mikrospiegel ausgebildet sind, die jeweils eine der Öffnungen
der Maske aufweisen, wobei eine fokussierende Makrooptik vorgesehen
ist, um das von den Mikrospiegeln erzeugte Fokusmuster des Beleuchtungslichts
auf die Öffnungen
der Maske abzubilden, eine einfache, stabile und maximal kompakte
-nämlich
integrierte- mechanische Anordnung der Maske und der Mikrooptikenanordnung ermöglicht wird,
wobei auch hier eine besonders gute Zugänglichkeit der Maske und der
Mikrooptikenanordnung für
die Plazierung optischer Elemente, z. B. des Strahlteilers, bei
minimaler Bauraumbeschränkung
erreicht wird.
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Das
in Anspruch 64 definierte Öffnungsmuster
hat den Vorteil, dass es eine im Vergleich zu einer Anordnung, wie
sie beispielsweise in der
EP
0 539 691 A2 beschrieben ist, erhöhte Packungsdichte der Mikrooptiken
erlaubt, so dass eine erhöhte
Lichtstärke
erzielt werden kann.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Beispiele
der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer konfokalen Vorrichtung mit Nipkow-Scheibe
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
schematische Ansicht eines Teils einer konfokalen Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik mit einem Mikrolinsen-Array;
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3 eine
Detailansicht aus 2;
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4 eine
schematische Ansicht eines Teils einer ersten Ausfürungsform
einer erfindungsgemäßen konfokalen
Vorrichtung;
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5 eine
Ansicht wie 4, wobei eine zweite Ausführungsform
der Erfindung gezeigt ist;
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6A und 6B in
einer Aufsicht bzw. seitlichen Ansicht eine dritte Ausführungsform
der Erfindung;
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7 eine
seitliche Ansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine
seitliche Ansicht einer fünften Ausführungsform
der Erfindung;
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9 eine
Aufsicht auf die Scheibe der Ausführungsform von 8 in
einer schematischen Darstellung;
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10 eine
Abwandlung der Ausführungsform
von 8;
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11A, 11B und 11C eine schematische Darstellung der Anordnung
der Mikrolinsen im radial äußeren Bereich
bzw. radial inneren Bereich im Detail bzw. in einer Übersicht;
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12 eine
seitliche Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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13 eine
seitliche Ansicht einer Abwandlung der Ausführungsform von 12;
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14 eine
schematische Ansicht einer inkohärenten
Beleuchtung für
eine erfindungsgemäße Mikroskopvorrichtung;
und
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15A und 15B zwei
unterschiedliche schematische Ansichten einer Filteranordnung für eine inkohärente Beleuchtung
für eine
erfindungsgemäße Mikroskopvorrichtung.
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Grundsätzlich ist
bei den Strahlengangdarstellungen in den Figuren zu beachten, dass
aus Gründen
der Veranschaulichung in der Regel die Brennweiten der Mikrooptiken
(Mikrolin se/Mikrospiegel) im Vergleich zu den Brennweiten der Makrooptiken
viel zu groß dargestellt
sind (typisch wäre
in der Praxis z. B. ein Verhältnis
von etwa 1:30 (z. B. 3 mm vs. 90 mm)).
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In 4 ist
schematisch ein erstes Beispiel dafür gezeigt, wie in erfindungsgemäßer Weise
ein Unendlichraum zwischen dem Öffnungsmuster 24 der
Lochmaske 22 und der Mikrolinsenanordnung 34 geschaffen
werden kann, in welchen der Strahlteiler 26 zum Trennen
des Beleuchtungslichts und des von der Probe reflektierten und/oder
emittierten Lichts angeordnet werden kann.
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Dabei
wird ein Unendlichraum 40 mittels zweier Projektive 42 erzeugt,
zwischen denen der Strahlteiler 26 angeordnet ist, der
für das
Beleuchtungslicht 16 durchlässig und für das Emissionslicht der Probe 12 im
wesentlichen reflektierend ist (der Detektor für das Emissionslicht ist in 4 nicht
dargestellt). Die Lochmaske 22 und die Mikrolinsenanordnung 34 sind
beide konzentrisch zu einer gemeinsamen Drehachse 20 angeordnet,
die parallel zum Strahlengang verläuft und als gemeinsame Drehachse
für die
Mikrolinsenanordnung 34 und Öffnungsmuster 24 bzw.
die entsprechenden Scheiben 22 und 38 dient. Die
Lochmaske 22 mit dem Öffnungsmuster 24 ist
somit feststehend bezüglich
der Mikrolinsenanordnung 34, jedoch axial versetzt zu dieser
angeordnet, wobei kein radialer Versatz vorliegt. Das Öffnungsmuster 24 und
die Mikrolinsenanordnung 34 sind kongruent und seitenrichtig
zueinander angeordnet und drehen sich synchron zueinander um die gemeinsame
Drehachse 20.
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Im
Beispiel von 4 wird die spiegelnde, d. h.
seitenverkehrende Abbildung durch die beiden Projektive 42 durch
ein weiteres Paar von Projektiven 44 wieder umgekehrt,
d. h. aufgehoben, die zwischen den Projektiven 42 und der
Mikrolinsenanordnung 34 angeordnet sind. Auf diese Weise
ist die durch die aus den beiden Projektivpaaren 42 und 44 bestehende
optische Anordnung 46 bewirkte Abbildung nicht spiegelverkehrt;
insbesondere dreht sich das Abbild der Brennpunkte der Mikrolinsen 36 in
die gleiche Richtung wie das Öffnungsmuster 24.
Die optische Anordnung 46 dient dabei dazu, die Brennebene 48 der
Mikrolinsenanordnung 34, d. h. jeweils die Brennpunkte
der einzelnen Mikrolinsen 36, so auf das Öffnungsmuster 24 abzubilden,
dass das Abbild eines der Brennpunkte genau in eine der Öffnungen 32 fällt, um
das Beleuchtungslicht 16 in die Öffnungen 32 zu konzentrieren,
soweit es die geometrische Anordnung der Mikrolinsen 36 zuläßt. Wenn
die Mikrolinsenanordnung 36 und das Öffnungsmuster 24 kongruent
sind, weist die optische Anordnung 46 einen Abbildungsmaßstab von
1:1 auf.
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Es
versteht sich, das bei allen Ausführungsformen zu jedem Zeitpunkt
immer nur ein Teilbereich der Maske und der Mikrooptiken beleuchtet
bzw. abgebildet wird. Da die jeweiligen Makrooptiken räumlich feststehend
sind und sich die Maske bzw. die Mikrooptikenanordnung relative
dazu dreht, läuft
der momentan beleuchtete bzw. abgebildete Teilbereich im Koordinatensystem
der Maske bzw. der Mikrooptikenanordnung um. Im folgenden ist mit „Teilbereich der
Maske" bzw. „Teilbereich
der Mikrooptikenanordnung" dieser
im Koordinatensystem der Maske bzw. der Mikrooptikenanordnung umlaufende
Teilbereich gemeint.
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In 5 ist
eine alternative Ausführungsform der
optischen Anordnung 46 gezeigt, bei welcher zwischen den
beiden Projektiven 42 eine bildinvertierende Einheit 50 vorgesehen
ist, bei welcher es sich um ein geeignetes Roof-Prisma, z. B. ein
Abbe-Konig-Prisma oder ein Schmidt-Pechan-Prisma handeln kann. Auf
diese Weise bewirkt die von den Projektiven 42 und der
bildinvertierenden Einheit 50 gebildete optische Anordnung 46 eine
1:1 Abbildung ohne Spiegelung, so dass auf das zweite Projektivpaar 44 von 4 verzichtet
werden kann (die beiden Projektive 44 bilden in der Ausführungsform
von 4 die bildinvertierende Einheit). Grundsätzlich kann
die bildinvertierende Einheit der optischen Anordnung 46 den
Projektiven 42 vor-, nach- oder zwischengeschaltet sein.
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Es
versteht sich, dass die optische Anordnung 46 zu einem
bestimmten Zeitpunkt jeweils nur einen Teilbereich der Brennebene 48 bzw.
der Brennpunkte der Mikrolinsen 36 auf das Öffnungsmuster 24 abbildet
sowie dass die optische Anordnung 46 räumlich feststehend ist, d.
h. die Scheiben 22 und 38 drehen sich bezüglich der
optischen Anordnung 46 um die Achse 20.
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In
den 6A, 6B und 7 sind zwei andere
Ansätze
gezeigt, wie man die invertierende Abbildung der beiden Projektive 42 ohne
die Verwendung einer zusätzlichen
bildinvertierenden Einheit ausgleichen kann, indem man das Öffnungsmuster 24 und
die Mikrolinsenanordnung 34 in geeigneter Weise zueinander
anordnet und relativ zueinander bewegt.
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In
der Ausführungsform
von 6A und 6B wird
die Mikrolinsenanordnung 36 nicht um eine gemeinsame Achse 20,
sondern um eine separate Achse 52 gedreht, die parallel
zu der Achse 20 verläuft,
um welche das Öffnungsmuster 24 gedreht wird.
Entsprechend ist das Öffnungsmuster 24 konzentrisch
zu der Achse 20 angeordnet, während die Mikrolinsenanordnung 34 konzentrisch
zu der Achse 52 angeordnet ist. Die beiden Drehachsen 20 und 52 sind
radial zueinander so versetzt, dass die Lochmaske 22 und
die Mikrolinsenscheibe 38 im Bereich zwischen den beiden
Drehachsen 20 und 52 überlappen, wobei die beiden
Scheiben 22 und 38 axial zueinander versetzt sind,
damit die Projektive 42, zwischen welchen der Strahlteiler 26 angeordnet
ist, dazwischen angeordnet werden können. Die optische Anordnung 46 wird
somit bei der Ausführungsform von 6A, 6B von
den beiden Projektiven 42 gebildet, welche die Brennebene 48 der
Mikrolinsenanordnung 36 spiegelverkehrt auf das Öffnungsmuster 24 abbildet.
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Wie
in 6A zu sehen ist, drehen sich die beiden Scheiben 38 und 22 gleichsinnig
(im gezeigten Beispiel im Uhrzeigersinn), und die Mikrolinsenanordnung 34 und
das Öffnungsmuster 24 sind
kongruent und seitenrichtig zueinander ausgebildet. Die gezeigte
Anordnung dieser Elemente bewirkt, dass sich im Überlappbereich der beiden Scheiben 38 und 22 der
beleuchtete Teilbereich der Mikrolinsenanordnung 34 und
der Teilbereich des Öffnungsmusters 24,
auf den die Brennebene 48 des beleuchteten Teilbereichs
der Mikrolinsenanordnung 34 sowie das von Probe kommende
Licht abgebildet wird, gegenläufig zueinander
bewegen und spiegelbildlich zueinander liegen. Auf diese Weise werden
die Brennpunkte der in 6A mit A bis E bezeichneten
Mikrolinsen 36 spiegelverkehrt – und damit passend – auf die
entsprechenden Öffnungen
A–E des Öffnungsmusters 24 abgebildet.
Auch die Bewegungsrichtung der Brennpunkte der Mikrolinsen A–E wird
durch die spiegelverkehrte Abbildung durch die optische Anordnung 46 umgekehrt
und ist dann gleichläufig
zu derjenigen der Öffnungen
A–E.
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Wie
bei den Ausführungsformen
von 4 bzw. 5 ist der Strahlteiler 26 für das Beleuchtungslicht 16 transparent,
jedoch für
das Emissionslicht der Probe 12 reflektierend. In 6B ist
angedeutet, wie mittels einer Optik 54 eine Abbildung des von
der Probe kommenden und von dem Objektiv 10 aufgesammelten
Emissionslichts, welches die Öffnungen 32 durchdrungen
hat, aus dem Unendlichraum zwischen den beiden Projektiven 42 auf
den Detektor 28 abgebildet wird. Eine solche Anordnung ist
auch für
die Ausführungsform
gemäß 4 bzw. 5 geeignet.
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In 7 ist
eine Ausfürungsform
gezeigt, bei welcher die Drehachsen 20 der Lochmaske 22 und die
Drehachse 52 der Mikrolinsenscheibe 38 unter einem
Winkel zueinander angeordnet sind, der im gezeigten Beispiel 90° beträgt. Dabei
wird wie bei der Ausführungsform
von 6A, 6B die Brennebene 48 der
Mikrolinsenanordnung 34 mittels der beiden Projektive 42 spiegelverkehrt
auf das Öffnungsmuster 24 abgebildet.
Entsprechend sind der beleuchtete Teil der Mikrolinsenanordnung 34 und
des Öffnungsmusters 24 spiegelbildlich
und gegenläufig bewegt
angeordnet. Im Gegensatz zu der Ausführungsform von 6A, 6B ist
der Strahlteiler 26 zweckmäßigerweise so ausgebildet,
dass er für
das Beleuchtungslicht 16 reflektierend und für das Emissionslicht
der Probe 12 durchlässig
ist, welches mittels der Optik 54 auf den Detektor 28 abgebildet
wird.
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In 8 ist
eine Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, bei welcher das Öffnungsmuster 24 und
die Mikrolinsenanordnung 34 auf einer gemeinsamen Scheibe 22 angeordnet
sind, und zwar radial versetzt zueinander und konzentrisch bzgl.
der gemeinsamen Drehachse 20. Im Beispiel von 8 ist dabei
die Mikrolinsenanordnung 34 radial außenliegend und das Öffnungsmuster 24 radial
innenliegend dargestellt. Der von dem Beleuchtungslicht 16 beleuchtete
Teilbereich der Mikrolinsenanordnung 34, d. h. genauer
gesagt die Brennpunkte der beleuchteten Mikrolinsen 36 in
der Brennebene 48, werden mittels der beiden Projektive 42 in
einen in Umfangsrichtung versetzt zu dem beleuchteten Teilbereich
der Mikrolinsen 36 angeordneten Teilbereich des Öffnungsmusters 24 abgebildet,
auf den auch das von der Probe stammende, vom Objektiv 10 aufgesammelte Licht
abgebildet wird.
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In
gezeigtem Beispiel sind diese beiden Teilbereiche in Umfangsrichtung
um 180° versetzt,
d. h. gegenüberliegend
bezüglich
der Drehachse 20, angeordnet. Der Abbildungsmaßstab entspricht
dabei dem Verhältnis
der Radien der Mikrolinsenanordnung 34 und des Öffnungsmusters 24 und
kann durch das Verhältnis
der Brennweiten der beiden Projektive 42 entsprechend eingestellt
werden. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen
sind das Öffnungsmuster 24 und
die Mikrolinsenanordnung 34 aufgrund des radialen Versatzes
nämlich
nicht kongruent.
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Am
einfachsten wäre
es zwar, bei der Abbildung der Brennebene 48 auf das Öffnungsmuster 24 den
Beleuchtungslichtstrahl nur zweimal umzulenken. Dabei ist allerdings
zu berücksichtigen,
dass dann das Abbild der Brennebene 48 auf dem Öffnungsmuster 24 spiegel verkehrt
wäre und
sich somit in die entgegen gesetzte, d. h. die falsche, Richtung bewegen
würde.
Dies kann verhindert werden, indem man dafür sorgt, dass der Beleuchtungsstrahlengang zwischen
den Mikrolinsen 36 und den Öffnungen 32 des Öffnungsmusters 24 eine
ungerade Anzahl von Reflektionen aufweist. Dies kann beispielsweise
wie in 8 gezeigt dadurch erreicht werden, dass man für die erste
Umlenkung des Beleuchtungslichts 16 noch vor dem ersten
Projektiv 42 ein Pentaprisma 56 vorsieht, welches
unabhängig
vom Eintrittswinkel für eine
90°-Ablenkung
sorgt, wobei im Gegensatz zu einer 90°-Ablenkung beispielsweise mittels
eines Spiegels keine Seitenverkehrung stattfindet. Die zweite Umlenkung
kann dann beispielsweise mittels des Strahlteilers 26 erfolgen,
der in diesem Fall dann für das
Beleuchtungslicht 16 reflektierend und für das Emissionslicht 17 von
der Probe 12 durchlässig
ist, das von dem Mikroskopobjektiv 10 von der Probe 12 aufgesammelt
und mit der Tubuslinse 18 auf den Teilbereich der Öffnungen 32 abgebildet
wird, welcher mit dem Beleuchtungslicht 16 beleuchtet wird.
Das Emissionslicht 17 gelangt durch die als konfokale Blende
wirkenden Öffnungen 32 hindurch
und wird von dem Projektiv 42 und der Optik 54 auf
den Detektor 28 abgebildet. Der Strahlteiler 26 ist
dabei in dem von den Projektiven 42 erzeugten Unendlichraum
angeordnet, wodurch die Trennung des Beleuchtungslichts 16 und
des Emissionslicht 17 erleichtert wird.
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Eine
Aufsicht auf die Scheibe 22 mit dem Öffnungsmuster 24 und
der Mikrolinsenanordnung 34 ist in schematischer Darstellung
in 9 gezeigt.
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Anordnungen
in der Art von 8 und 9, bei welchen
die Mikrolinsenanordnung 34 und das Öffnungsmuster 24 auf
einer gemeinsamen Scheibe angeordnet werden können, haben den Vorteil, dass
eine aufwendige Synchronisierung zweier separater Scheiben vermieden
wird und ferner auch kein (relativ großer und damit destabilisierender)
axialer Versatz zweier zueinander feststehender, sich um eine gemeinsame
Achse drehender Scheiben zwecks Aufnahme der Abbildungsoptik erforderlich ist.
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Ein
weitere Vorteil besteht darin, dass aufgrund des langen und gut
zugänglichen
Beleuchtungsstrahlengangs zwischen den Maskenöffnungen 32 und den
Mikrolinsen 36 sogar auf die beschriebene Erzeugung eines
Unendlichraums 40 mittels der Projektive 42 verzichtet
werden kann. Wenn der Strahlteiler 26 wie 8 gezeigt
als Langpass, d. h. als Umlenkung für das Beleuchtungslicht, ausgebildet
ist, braucht der durch den Strahlteiler 26 erzeugte Strahlversatz – selbst
wenn dieser im Endlichraum angeordnet ist – nicht durch eine Schrägstellung
der Scheibe 22 ausgeglichen werden.
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In 10 ist
ein Beispiel gezeigt, wie mit der Anordnung von 8 und 9 eine
Aufspaltung des Emissionsbildes auf einfache Weise in mehrere unterschiedlich
gefärbte,
voneinander räumlich
getrennte Teilbilder auf dem Detektor 28 vorgehen werden
kann, ohne dass dazu die Anzahl der optischen Abbildungselemente
erhöht
werden muß.
In der schematischen Darstellung von 10 ist
der Beleuchtungsstrahlengang der Einfachheit halber weggelassen.
Dabei wird im Unendlichraum, d. h. zwischen den beiden Projektiven 42,
ein optisches Element 58 vorgesehen, welches Licht 17 mit
einer längeren
Wellenlänge
unter einem anderen Winkel ablenkt als Licht 17' mit einer kürzeren Wellenlänge. Solche
Elemente 58 sind beispielsweise als „W-View" bekannt und erhältlich. Im Beispiel von 10 ist
das optische Element 58 im Unendlichraum hinter (von der
Scheibe 22 aus gesehen) dem Strahlteiler 26 angeordnet.
Die in 10 gezeigte Anordnung funktioniert
grds. auch z. B. mit einer mit einer Anordnung gemäß 12 bzw. 13.
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Bei
Verwendung von Mikrospiegeln statt Mikrolinsen ist es möglich, in
einer Nipkow-Anordnung den Bild- und den Beleuchtungsstrahlengang
so miteinander zu kombinieren, dass wie bei dem Beispiel von 8 und 9 kein
axialer Versatz zwischen den Mikrooptiken und der Maske erforderlich
ist und – im
Gegensatz zu dem Beispiel von 8 und 9 – für beide
sogar der gleiche radiale Bereich der sich drehenden Nipkow-Scheibe
genutzt werden kann, es also keine kritisch einzuhaltenden Maßstabsanforderungen
mehr gibt. Zwei verschiedene Ausführungsformen dieses Prinzips
sind in 12 bzw. 13 gezeigt.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 12 wird
das durch eine (nicht dargestellte Optik) auf einen Punkt 102 konzentrierte
Beleuchtungslicht 16 durch die abgeflachte Spitze 104 eines
Retroreflektor-Prismas („corner
cube") 106 in
die Anordnung eingekoppelt. Das vom Einkoppelpunkt 102 ausgehende,
divergente Licht wird von einem Strahlteiler 26 (hier ein
Langpaß-Filter) abgelenkt
und durch eine Linsensanordnung, z. B. ein Projektiv 142,
so kollimiert, daß es
auf der sich um eine zur Strahlrichtung parallelen Achse drehenden
Nipkowscheibe 122 ein Feld beleuchtet, dessen Größe dem vom
Detektor (nicht dargestellt) gesehenen Bildfeld entspricht. Auf dem
radialen Bereich der Scheibe 122, der bei der Drehung vom
beleuchteten Feld überstrichen
wird, befindet sich eine Anordnung 134 fokussierender Mikrospiegel 136, deren
Zentrum jeweils eine das Licht durchlassende Öffnung 132 aufweist.
Ein kleiner Teil des auf jeden der Mikrospiegel 136 fallenden
Lichts (entsprechend der Fläche
der Durchgangsöffnung
im Verhältnis
zur Gesamtfläche
des jeweiligen Hohlspiegels) passiert den Spiegel durch diese Öffnung 132 bereits
beim ersten Auftreffen und gelangt von dort über den Mikroskopstrahlengang
auf die Probe (nicht dargestellt). Der größte Teil des Lichtes wird durch die
Mikrohohlspiegel 136 jedoch zurückreflektiert, wobei in der
Brennebene 148 der Mikrohohlspiegel 136 ein sich
mit der Scheibe 122 drehendes Fokusmuster entsteht. Da
das Fokusmuster in oder nahe der (vorderen) Brennebene des Projektivs 142 liegt, wird
es von dem nunmehr rückwärts durchlaufenen Projektiv 142 ins
Unendliche abgebildet und gelangt nach erneuter Reflexion am Strahlteiler 26 zum
Prisma 106, wo es neuerlich reflektiert wird. Die nicht
reflektierende, abgeflachte Spitze 104 entspricht dabei dem
Abbild der zentralen Öffnung 132 eines
jeden der Mikrohohlspiegel 136.
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Befände sich
das Prisma 106, d. h. dessen abgeflachte Spitze 104 exakt
in der (hinteren) Brennebene 108 des Projektivs 142,
würde der
Strahl, der auf dem gleichen Weg über Strahlteiler 26 und
Projektiv 142 wieder auf die Mikrospiegel 136 zurückgeschickt
wird, dort wieder kollimiert und ein weiteres Mal zurückreflektiert.
Wird das Prisma 106, d. h. dessen Spitze 104,
jedoch in geeigneter Weise ein klein wenig aus der Brennebene 108 des
Projektivs 142 gerückt,
fallen die telezentrischen Foci jeweils auf die transparenten Durchgangsöffnungen 132 im
Zentrum der Mikrohohlspiegel 136, werden dort durchgelassen
und über
den Mikroskopstrahlengang als sich drehendes Punktmuster auf die
Probe gelenkt. Das von der Probe (durch Reflexion oder Fluoreszenz) zurückgesandte
Licht wird durch die Öffnungen 132 räumlich gefiltert,
durch das Projektiv 142 ins Unendliche abgebildet, vom
Strahlteiler 26 durchgelassen und danach mit einer weiteren
optischen Anordnung auf den Detektor abgebildet (nicht dargestellt).
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Gemäß 13 kann
die Aufgabe des Prismas 106 auch ein Spiegel übernehmen,
der dann jedoch nicht in der Brennebene des Projektivs 142 plaziert
werden kann (dies würde
bedeuten, daß sich
die Mikrospiegel 136 und ihr Bild punktgespiegelt relativ zueinander
drehen würden),
sondern erst hinter einem weiteren Projektiv 144, das in
bzw. nahe der Ebene eines Planspiegels 110 ein Bild des
sich drehenden Fokusmusters der Mikrospiegel 136 erzeugt. Auch
hier muß der
Spiegel 110 geringfügig
aus der Fokusebene 112 der optischen Anordnung, d. h. hier des
Projektivs 144, herausbewegt werden, damit das Bild des
Fokusmusters der Mikrospiegel 136 in den Durchgangsöffnungen 132 zu
liegen kommt. Weiterhin muß eine
zur abgeflachten Spitze 104 des Prismas 106 analoge
Stelle geschaffen werden, über
die der hier nur punktgroße
Beleuchtungsstrahl eingekoppelt werden kann. Dies geschieht am besten
mit Hilfe eines geneigten Strahlteilerplättchens 114, welches
transparent ist und nur im Strahlzentrum einen kleinen verspiegelten
Bereich 116 aufweist, der in der (hinteren) Brennebene
des Projektivs 142 liegt.
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Hinsichtlich
der erzielbaren Leuchtdichten auf der Probe 12 ist die
Verwendung von kohärentem Licht,
d. h. Laserlicht, als Beleuchtungslicht 16 grundsätzlich am
günstigsten,
da hier annähernd
das gesamte die Mikrooptiken treffende Beleuchtungslicht 16 auch
durch die zugeordneten Öffnungen 32 bzw. 132 des Öffnungsmusters 24 bzw. 134 gelangen kann.
Allerdings ist es auch möglich,
durch einen geeigneten optischen Aufbau auch bei der Verwendung von
inkohärenten
Lichtquellen, z. B. Bogenlampen, quasi-kohärente Verhältnisse zu schaffen und annähernd gleiche
Leuchtdichten wie mit Laserlichtquellen zu erreichen.
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Ein
Beispiel für
eine solche inkohärente
Beleuchtung ist in 14 gezeigt. Dabei macht man sich
zunutze, dass bei Bogenlampen 61, deren leuchtende Fläche typischerweise
einen Durchmesser von etwa 0,6 bis 2 mm aufweist, im Brennfleck 60 keine
homogene Intensitätsverteilung
herrscht, sondern es einen sehr viel helleren „hot spot" 62 ganz nahe bei einer der
beiden Elektroden 64, 66 gibt, wobei die Intensität mit dem
Abstand zu diesem „hot spot" 62 in alle
Raumrichtungen abnimmt. Dabei ist eine Kollektoroptik 68 vorgesehen,
um Licht aus dem „hot
spot" 62,
d. h. dem Bereich höchster
Leuchtdichte, auf die Mikrolinsenanordnung 36 zu kollimieren.
In der Brennebene 48 der Mikrolinsen 36 entsteht
dabei für
jede der Mikrolinsen 36 ein Abbild der Leuchtfläche 60.
Grundsätzlich
kann eine solche Anordnung für
alle der in 4 bis 10 gezeigten
Ausführungsformen
verwendet werden, wobei anstelle der einfachen Kollektoroptik 68 auch
eine mehrstufige Optik zum Einsatz kommen kann.
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Im
Fall der Verwendung von Mikrolinsen zur Erzeugung eines Spotmusters
mittels nichtkohärenter
Bogenlampen werden die Abbilder der Leuchtfläche 60 in der Brennebene 48 von
der nachfolgenden optischen Anordnung 46, welche die beiden
Projektive 42 und ggf. weitere optische Elemente umfaßt, so auf
das Öffnungsmuster 24 abgebildet,
dass ausschließlich
der Bereich 62 höchster
Leuchtdichte jeweils in die entsprechende Öffnung 32 abgebildet wird.
Damit wirkt die Öffnung 32 als
Blende, um die Umgebung des Bereichs 62 höchster Leuchtdichte, d.
h. die dunkleren Bereiche der Leuchtfläche 60, auszublenden.
Bei der in 12 gezeigten einfachen Ausgestaltung
wird die gesamte Leuchtfläche 60 der
Bogenlampe 61 auf das Öffnungsmuster 24 der
Lochmaske 22 abgebildet, wobei nur das jeweilige Abbild
des Bereichs 62 höchster
Leuchtdichte in die jeweilige Öffnung 32 fällt. Somit
bewirkt erst die Lochmaske 22 die räumliche Filterung des gesamten aus
der Leuchtfläche 60 stammenden
Beleuchtungslichts 16. Dies kann u. U. dazu führen, dass
viel ungenutztes Beleuchtungslicht in die optische Anordnung eingekoppelt
wird und als Streulicht oder als unerwünschte Fluoreszenz erzeugendes
Störlicht
die Messung am Detektor 28 verfälschen kann.
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Dies
läßt sich
vermeiden, wenn man bereits vor der Mikrolinsenanordnung 34 eine
räumliche
Filterung vorsieht, so dass nur noch das vom Bereich 62 höchster Leuchtdichte
stammende Beleuchtungslicht für
den auf die Mikrolinsenanordnung 34 fallenden kollimierten
Beleuchtungsstrahl genutzt wird, d. h. die Kollektoroptik 68 ist
so ausgebildet, dass sie in dem auf die Mikrolinsenanordnung kollimierten
Licht aus der Umgebung des Bereichs 62 höchster Leuchtdichte
ausblendet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die
Kollektoroptik 68 ein Zwischenbild der Leuchtfläche 60 erzeugt,
wobei in der Zwischenbildebene eine Blende vorgesehen ist, um Licht
aus der Umgebung des Bereichs 62 höchster Leuchtdichte auszublenden.
Vorzugsweise wird ein Lichtleiter als Blende verwendet, der dann
gleichzeitig noch dazu dient, den (heißen) Ort der Lichtentstehung
vom Nipkowsystem zu trennen.
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Nicht
nur mit Mikrolinsen, auch mit Mikrospiegeln läßt sich eine solche selektive
Verwendung des Lichts aus dem Hotspot zur Erzeugung eines Punktmusters
mit maximaler Leuchtdichte verwenden. Dazu muß lediglich dafür gesorgt
werden, daß am
Punkt 102 der Einkopplung des Meßlichts in die Mikrospiegelanordnung
die höchste
Leuchtdichte herrscht, d. h. sich ein Bild des Hot-spot befindet.
Wie weiter oben beschrieben geschieht dies vorzugsweise dadurch,
daß der
Hot-spot auf einen Lichtleiter entsprechend kleinen Durchmessers
abgebildet wird und sich die Austrittsfläche dieses Lichtleiters in
der Eintrittsebene 102 befindet.
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Bogenlampen
lassen sich, im Gegensatz zu Laser, nicht schnell ein- und ausschalten
bzw. in der Intensität
modulieren. Aus diesem Grund kann man eine beispielsweise mit der
Anord nung von 14 erzeugte quasi-kohärente Beleuchtung
mit einer Filterwahlanordnung kombinieren, wie sie in 15A bzw. 15B gezeigt
ist. Dabei wird der einfallende, quasi-kohärente Lichtstrahl 70 mittels
eines Planspiegels 72 zu einem Filterelement 74A, 74B, 74C, 74D oder 74E abgelenkt.
Der Spiegel 72 ist auf einem Drehmotor 76, z.
B. einem Galvanometer, montiert und ist mittels Betätigung des
Motors 76 um eine Achse 78 drehbar, um ein bestimmtes
der Filterelemente 74A bis 74E selektiv auszuwählen.
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Die
Filterelemente 74A und 74C bis 74E sind so
ausgebildet, dass der von dem Spiegel 72 kommende Strahl
so umgelenkt wird, dass der zurückkehrende
Strahl parallel zu dem einfallenden Strahl, jedoch in Richtung der
Drehachse 78 dazu axial versetzt ist. Dies kann beispielsweise
wie in 15B gezeigt, dadurch erfolgen,
dass das entsprechende Filterelement 74A, 74C, 74D, 74E zwei
um 90° zueinander
geneigte reflektierende Flächen 80, 82 aufweist,
zwischen denen der eigentliche Filter 84 angeordnet ist.
Der zurückkehrende
Strahl trifft auf einen Planspiegel 86, der axial versetzt
zu dem Spiegel 72 und um beispielsweise 45° gegenüber dem
Spiegel 72 um die Achse 78 verdreht angebracht
ist und von dem Motor 76 synchron mit dem Spiegel 72 gedreht wird.
Auf diese Weise bilden die beiden Spiegel 72, 86 zusammen
mit dem Motor 76 ein Filterselektionselement 90,
mit Hilfe dessen zwischen verschiedenen Filterelementen 74A bis 74E ausgewählt werden kann,
ohne dass sich die Richtung des einfallenden Strahls 70 bzw.
des ausfallenden Strahls 88 durch die Betätigung des
Filterselektionselements 90 ändern würde.
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Die
Filter 84 können
beispielsweise als unterschiedliche spektrale Bandpässe ausgebildet
sein, um ein schnelles Umschalten zwischen verschiedenen Beleuchtungs-
bzw. Anregungswellenlängen
zu erlauben. Werden die Filter 84 nicht unmittelbar nebeneinander
positioniert, sondern durch eine lichtundurchlässigen Steg 74b voneinander
getrennt, dessen Weite zumindest dem eines Filterelements entspricht,
können
auch sehr schnell verschiedenen Helligkeitswerte erreicht werden,
indem man den Strahl teilweise auf den durchlässigen Filter, teilweise jedoch
auch auf den lichtundurchlässigen
Steg lenkt. Ein völliges
Abdunkeln erfordert, daß der
Strahl vollständig
auf den lichtundurchlässigen
Steg gerichtet wird. Typischerweise können mit einer solchen Anordnung
Umschaltzeiten zwischen Wellenlängen und/oder
Helligkeitswerten von weniger als 1 ms erreicht werden.
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Voraussetzung
der Verwendung einer solchen Anordnung für inkohärentes Licht ist, dass im einfallenden
Strahl 70 die Bereiche der Leuchtfläche 60 außerhalb
des „hot
spot" 62 ausgeblendet
wurden, so dass der Strahl weitgehend parallel ist und man mit Planspiegeln
bzw. Prismen arbeiten kann.
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In
den 11A–11C ist
eine spezielle Anordnung der Mikrolinsen 36 gezeigt, die
bei hoher Packungsdichte eine gleichmäßige Beleuchtung aller Probenpunkte
im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Gestaltung des Öffnungsmusters 24 erlaubt. 11A zeigt dabei Mikrolinsen 36 in einem radial
weiter außen
liegenden Bereich während 11B Mikrolinsen 36 in einem radial weiter
innen liegenden Bereich zeigt. Eine Übersicht über das Gesamtmuster ist in 11C gezeigt. Die Mikrolinsen 36 bilden
eine hexagonale Anordnung, wobei die Einheitszelle jeweils von vier
unmittelbar benachbarten Mikrolinsen 36A, 36B, 36C bzw. 36D gebildet
wird.
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Gemäß 11B sind die Mikrolinsen 36 im Bereich
kleiner Radien in tangentialer Richtung maximal dicht angeordnet,
so dass sie sich in tangentialer Richtung berühren, um den tangentialen Abstand
dt zu minimieren. In radialer Richtung liegt
hier dagegen keine maximal dichte Packung vor.
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Im
Bereich größerer Radien
ist gemäß 11A dagegen der tangentiale Abstand dt vergrößert, so
dass in tangentialer Richtung zwischen benachbarten Mikrolinsen 36A, 36C Spalte
auftreten. Dafür
ist jedoch hier der radiale Abstand dr zwischen benachbarten
Mikrolinsen 36A, 36B kleiner als in 11B. Im Abstand vom dem Radius, bei welchem die
betreffende Einheitszelle angeordnet ist, sind der tangentiale Abstand
dt und der radiale Abstand dr der Mikrolinsen 36 so
gewählt,
dass die Fläche
der Einheitszelle konstant bleibt, so dass eine gleichmäßige Beleuchtung
aller Punkte gewährleistet
ist. Durch diese „Verzerrung" ist die Einheitszelle
im Vergleich zu einer idealen hexagonalen Anordnung im radial äußeren Bereich
(11A) tangential elongiert und im radial inneren
Bereich (11B) radial elongiert. In 11B ist zum Vergleich die Einheitszelle von 11A gepunktet eingezeichnet. Zum Beispiel würden die
Mikrolinsen im radial äußeren Bereich
ohne die entsprechende Verringerung des radialen Abstands aufgrund
des vergrößerten tangentialen
Abstands weniger Licht sehen als die radial weiter innen liegend
angeordneten.
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Es
versteht sich, dass die Mikrolinsen grundsätzlich in um eine zentrale
Drehachse der Mikrolinsenanordnung 34 ineinander laufenden
schneckenförmigen
Schalen angeordnet sind. In tangentialer Richtung unmittelbar benachbart
liegende Mikrolinsen liegen dabei auf der gleichen Schale. In 11A sind die Schalen mit 92A, 92B bzw. 92C angedeutet.
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Es
versteht sich, dass die Öffnungen 32 der Maske 22 dem
gleichen Anordnungsschema gehorchen müssen, das vorstehend beschrieben
wurde. Dieses Anordnungsschema kann natürlich auch für mit Öffnungen 132 versehene
Mikrospiegel 136, wie sie z. B. in den 12 und 13 gezeigt
sind, verwendet werden.
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Es
versteht sich ferner, dass bei allen Ausführungsformen der Erfindung
die „Öffnungen" 32 bzw. 132 der
Lochmaske 22 bzw. 122 als Öffnungen in dem Sinn zu verstehen
sind, dass sie das Beleuchtungs- bzw. Emissionslicht durchlassen.
Dabei kann es sich physikalisch um Löcher in der Maske 22 bzw. 122 oder
um Bereiche mit transparentem Material handeln.