DE102009043745A1

DE102009043745A1 - Spektraldetektor mit variabler Filterung durch räumliche Farbtrennung und Laser-Scanning- Mikroskop

Info

Publication number: DE102009043745A1
Application number: DE102009043745A
Authority: DE
Inventors: Jakow Dr. Konradi; Daniel Dr. Schwedt; Enrico Geissler; Günter Rudolph; Hans-Jürgen DOBSCHAL
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH; Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-07
Also published as: US9389120B2; JP2013506162A; JP5953230B2; US20120218547A1; WO2011038816A1

Abstract

Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik, die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt, wobei ein Nutzlichteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, wobei zur Verbesserung der spektralen Selektion entweder mindestens eine zweite Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und eine 1 : 1 Abbildung der ersten Mikrospiegelanordnung in die zweite Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist oder dieselbe Mikrospiegelanordnung mindestens zweimal durchlaufen wird, wobei im Lichtweg zwischen ersten und zweiten Durchlauf durch optische Mittel ein räumlicher Versatz der Lichtstrahlung mindestens des ersten und zweiten Durchlaufs auf der Mikrospiegelanordnung erzeugt wird.

Description

Stand der Technik
US 5504575B1 beschreibt eine optische Anordnung und Methode zur spektralen Charakterisierung eines Eingangstrahls mittels eines räumlichen Lichtmodulators (Spatial Light Modulator – SLM). In einer Ausführung mit einer Mikrospiegel-Anordnung (Digital Mirror Device – DMD) werden nur ausgewählte Spektralanteile in Richtung des Detektors reflektiert.
US 6750036B2 beschreibt eine Anordnung zur spektral aufgelösten Detektion des Fluoreszenzsignals einer Zellprobe mit mehreren Farbstoffen, die gleichzeitig angeregt werden. Das Objektlicht wird spektral aufgespaltet und mit einem geeigneten Array-Detektor aufgenommen. Das Spektrum des Objektlichtes wird ungefiltert aufgenommen und kann spektrale Anteile des Anregungslichtes beinhalten.
In US 6809815B2 , US 6954306B2 werden optische Anordnungen zur spektral selektiven Detektion des Objektlichtes in einem Fluoreszenzmikroskop vorgestellt, die ein dispersives Element zur Winkelaufspaltung der Spektralanteile des Objektlichtes beinhalten. Diese Anordnungen wirken als Bandpassfilter und ermöglichen keine flexible spektrale Filterung des Objektlichtes.
US 58867B4 , US 6852967B2 , US 6977724B2 beschreiben Ausführungen mit verschiebbaren Blenden.
Damit ermöglicht diese Vorrichtung eine gleichzeitige Detektion mehrerer Spektralbereiche des Fluoreszenzlichtes. Allerdings ist die Anzahl der detektierten Bereiche durch die Anzahl der Detektor-Blenden-Einheiten begrenzt. Da auch die eingesetzten Blenden lediglich Bandpass-Filterfunktion zur Verfügung stellen, ermöglicht diese Vorrichtung keine flexible Filterung des Spektrums des Objektlichtes.
DE 10 2004 031 049 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Detektion mehrerer spektraler Bereiche des Objektlichtes lediglich mit Hilfe eines Ein-Kanal-Detektors.
Die Auswahl der zu detektierenden Strahlungsanteile erfolgt mittels eines Sperrelements. Die unerwünschten Anteile werden aus dem Detektionsstrahlengang ausgeblendet. Dieser Ansatz ermöglicht eine flexible Filterung des Objektlichtes. Da allerdings in dieser Anordnung lediglich die integrierte Intensität über alle detektierten Bereiche gemessen wird, ist hier keine spektrale Charakterisierung der Fluoreszenz möglich. Des Weiteren bewirkt eine nicht zu vernachlässigende Dicke der einzelnen Stege Verluste in der Intensität des Fluoreszenzlichtes.
In DE 10102033B4 wird das Objektlicht spektral aufgespaltet und auf einen Multikanal-Detektor abgebildet. Dem Dispersionselement ist ein Mittel zur Reduktion vorgestellt.
Da allerdings die Filterfunktion nur durch die Eigenschaften des verwendeten Mittels zur Reduktion bestimmt wird, ist eine flexible spektrale Filterung des Objektlichtes nicht möglich. US 6377344B2 beschreibt eine Vorrichtung, mit der der Beleuchtungs-, Objekt- und Detektionsstrahlengang in einem Mikroskop rein geometrisch voneinander separiert wird. Eine zusätzliche Nachfilterung des Objektlichtes vor dem Detektor ist hier notwendig.
DE 10 2007 002 583 A1 beschreibt einen Hauptfarbteiler auf einem Ansatz, welcher der im Patent US 6377344B2 beschriebenen Anordnungen und Methode zugrunde liegt. Die Beleuchtungs-, Objekt-, und Detektionsstrahlengänge werden rein geometrisch voneinander getrennt. Hierfür wird ein mikrostruktuiertes Element, welches eine DMD-Einheit umfasst, in der Fourier-Ebene einer 4f-Anordnung genutzt, um die gewünschten spektralen Anteile der Beleuchtungsstrahlung gezielt in das Mikroskop einzukoppeln. Die Unterdrückungseffizienz des Streulichtes ist beschränkt, wodurch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Nachfilterung besteht.
US 7212338B2 beschreibt die Umsetzung eines spektralen Detektors in einem Mikroskop, wo das Spektrum des Probenlichtes mit Hilfe eines Detektors aufgenommen wird. Hierfür wird das von der Probe emittierte und an ihr gestreute Licht in seine spektralen Anteile zerlegt und mit Hilfe einer geeigneter Optik auf eine gezielt schaltbare Mirkospiegel-Anordnung (Digital Mirror Device – DMD) abgebildet. Die unerwünschten Wellenlängen der Strahlung werden hierbei nicht detektiert. Dies ermöglicht eine zusätzliche Unterdrückung des an der Probe gestreuten Anregungslichtes. Für die Aufnahme eines Spektrums des Objektlichts, werden die einzelnen spektral aufgelösten Anteile der Strahlung zeitlich nacheinander in den Detektor abgebildet. Die Intensitäten der einzelnen spektralen Bereiche ergeben das Gesamtspektrum.
US 6396053B1 , US 6459484B1 beschreiben optische Anordnungen zur gleichzeitigen Detektion mehrerer spektraler Bereiche des Fluoreszenzlichtes in einem Mikroskop. Hierfür wird das Objektlicht spektral aufgelöst auf eine Anordnung aus einer Vielzahl der Ablenkungs-Mikrospiegel abgebildet. Jeder der Mikrospiegel ist durch eine Vielzahl der Kippwinkel charakterisiert.
Bedingt durch die Streuung an den Kanten und Oberflächen der einzelnen Mikrospiegel ist die Effizienz der Unterdrückung beschränkt.
US 7190451B2 beschreibt eine Weiterentwicklung der in den Patenten US 6396053B1 und US 6459484B1 beschriebenen optischen Anordnungen.
Die Vorrichtung wird mit einer Kollimationslinse erweitert, die im Detektionsstrahlengang zwischen der Mikrospiegel-Einheit und dem Detektor eingesetzt wird. Somit werden die einzelnen spektral aufgelösten Teilstrahlen parallel auf den Detektor abgebildet.
Bedingt durch die Streuung an den Kanten und Oberflächen der einzelnen Mikrospiegel ist die Effizienz der Unterdrückung hier ebenfalls nur auf etwa 3OD beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine zusätzliche effiziente Filterung des Objektlichtes mit einer geeigneten optischen Anordnung zu realisieren.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1, 2, 3, 4, 6, 12 durch die kennzeichnenden Merkmale gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird Detektionslicht, das noch unerwünschtes Anregungslicht enthalten kann und welches aus einem Pinhole oder einer Faser zum Detektor geleitet wird einer spektralen Filterung unterzogen
Im vorliegenden Ansatz wird dazu ein Gitter zur spektralen Aufspaltung und ein Mikrospiegelarray – ein MEMS (Spiegel) Array- zum Selektieren von erwünschtem (z. B. Fluoreszenzlicht) und unerwünschten (Anregungs-)Licht verwendet.
Die außerordentlich hohe Trenngüte von beispielsweise mindestens OD6 erreicht man vorteilhaft durch Doppelmodulation über ein – und dasselbe MEMS Array oder ein im Wesentlichen identisches Spiegelarray mit einem zweiten, räumlich versetzten Strahlungsdurchlauf.
Dazu wird vorteilhaft ein 1:1 abbildendes System zur Refokussierung eingesetzt. Um einen kompakten und kostengünstigen Aufbau zu realisieren wird vorteilhaft weiterhin sowohl der MEMS als auch das Prisma für den Hin- und Rückstrahlenweg benutzt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Bezugszeichenliste

1: Pinhole oder Faserausgang
2: abbildendes Gitter
3: TIR Prisma
4: DMD
5: Feldlinse
6: Licht in Richtung Lichtfalle
7: Nutzlicht
8: Linse
9: Pupillenebene
10: Detektor
11: Umlenkspiegel
12: Faserausgang oder Detektionspinhole
13: Linse
14: TIR Prisma
15: DMD
16: Feldlinse
17: abbildendes Gitter
18: Umlenkspiegel
19: Nutzlicht
20: Licht in Richtung Lichtfalle
21: Hohlspiegel
22: Planspiegel
23: Linse
24: abbildendes Gitter
25: Dachkantspiegel
26: Linse
27: Ortsauflösender Detektor

: Mehrfarbiges Licht aus einem pin-hole oder einem Faserende 1 wird nach Umlenkung über einen Spiegel 11 durch ein abbildendes Gitter 2 spektral zerlegt und über ein TIR-Prisma 3 auf ein DMD 4 abgebildet.
Das TIR Prisma besteht vorzugsweise aus zwei verkitteten Einzelprismen mit einem Luftspalt. An der Grenzfläche zwischen den Prismen geht im Wesentlichen senkrechtes Licht durch, Schräglicht wird jedoch (bei entsprechendem Winkel) total reflektiert.
Eine Feldlinse 5 vor dem Prisma 3 richtet die Hauptstrahlen der einzelnen Farbbündel parallel aus und erzeugt damit gleiche Einfallswinkel in der DMD 4-Ebene.
Entsprechend der Winkelstellung der einzelnen Spiegel des DMD 4 werden unerwünschte Wellenlängen in den off-light Kanal 6, die gewünschten Wellenlängen in den on-light Kanal 7 reflektiert. Das off-light 6 gelangt in eine Lichtfalle (nicht dargestellt). Das on-light 7 wird durch eine Linse 8 in einer Pupillenebene 9 konzentriert.
Ein dort angeordneter flächiger, nicht ortsaufgelöster Detektor 10 bestimmt die Intensität der am DMD 4 selektierten Wellenlänge(n).
: Die in dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der Anordnung nach dadurch, dass in der Pupillenebene 9 nach dem DMD 4 ein zweites abbildendes Gitter 11 angeordnet ist, das die am DMD 4 selektierten verschiedenfarbigen Bündel auf eine gemeinsame Achse rekombiniert und so ein Bild vom ersten pin-hole oder Fasereingang 1 erzeugt. Der Detektor kann deshalb punktförmig ausgelegt sein oder das farblich selektierte Licht kann in eine Faser oder pinhole 12 eingekoppelt werden.
Die Linse 8 kann hier eine Halblinse bezüglich ihrer optischen Wirksamkeit sein um die Ausblendung über 11 in Richtung 12 platzsparend zu gewährleisten, andere Ausblendungen sind fachmännisch natürlich auch inbegriffen.
: Die Anordnung nach zeigt eine Erweiterung der Anordnung nach um ein zweites TIR-Prisma 14 und ein zweites DMD 15. Eine nach der Pupillenebene 9 angeordnete weitere Linse 13 erzeugt zusammen mit der vorhergehenden Linse 8 eine telezentrische 1:1-Abbildung der ersten DMD-Ebene 4 auf die zweite DMD-Ebene 15. Hier kann die wellenlängenabhängige Selektion des 1. DMD 4 wiederholt werden, was eine erheblich bessere Dämpfung unerwünschter Wellenlängen zur Folge hat.
Eine Erhöhung der optischen Dämpfung unerwünschter Spektralanteile von OD3 auf OD6 kann beispielsweise erzielt werden. Die selektierten Bündel werden über eine zweite Feldlinse 16 einem zweiten abbildenden Gitter 17 zugeführt, das wie in Anordnung 2 eine Rekombination verschiedenfarbiger Bündel auf eine gemeinsame Achse erzeugt. Das selektierte Licht kann wieder über einen Spiegel 18 von einem punktförmigen Detektor aufgenommen oder in eine Faser oder Pinhole 12 eingekoppelt werden.
: Die in gezeigte Anordnung entspricht (gespiegelt bezüglich der Einkopplung) der Anordnung nach , mit dem Unterschied, dass zur 1:1-Abbildung der ersten DMD-Ebene auf die zweite DMD-Ebene ein katadioptrisches System, z. B. ein Dyson System) verwendet wird.
Es besteht aus Linsen 8 und 13 sowie einem beispielsweise sphärischen Hohlspiegel 21. Dadurch kann der optisch-mechanische Aufwand der 1:1-Abbildung reduziert werden. Alle weiteren Elemente und Funktionen entsprechen denen der Anordnung nach Graphik 3.
: oben zeigt eine Seitenansicht der Draufsicht darunter. Mit der Anordnung nach erreicht man eine doppelte wellenlängen-abhängige Selektion wie nach Anordnung 3, jedoch ohne zweites TIR-Prisma und zweites DMD. Dazu wird das 1. abbildende Gitter 17 wie in der Draufsicht gezeigt, dezentriert zu Feldlinse 5, TIR-Prisma 3 und DMD 4 angeordnet. Unter dezentriert ist zu verstehen dass die Symmetrieebene S der optischen Anordnung nicht mit den optischen Mittelachsen A1, A2 der Gitter 2 und 17 übereinstimmt.
Das erzeugte Spektrum liegt dementsprechend dezentriert auf dem DMD 4. Die wellenlängenabhängige Selektion erfolgt wie bei den vorher beschriebenen Anordnungen. Das on-light 8 wird wie zuvor durch eine Linse in Richtung der Pupille 9 konzentriert. Anstelle eines Detektors ist hier ein Spiegel 22 angeordnet, der das Licht zurück zum DMD 4 reflektiert. Aufgrund der seitlichen Dezentrierung des ersten Spektrums auf dem DMD 4 treffen die rückläufigen Bündel den DMD 4 mit einem seitlichen Versatz, der dem doppelten der Dezentrierung des ersten Spektrums entspricht. An dieser Stelle erfolgt die zweite wellenlängen-abhängige Selektion durch andere Spiegelelemente des DMD 4 als bei der ersten Detektion. Das on-light der zweiten Selektion wird über das TIR-Prisma 3, die Feldlinse 5 und ein zweites dezentriertes abbildendes Gitter 17 sowie Spiegel 18 dem punktförmigen Detektor oder Faserausgang 12 zugeführt.
: Wiederum sind eine Draufsicht und darüber eine Seitenansicht dargestellt.
Auch mit der Anordnung nach erreicht man eine doppelte wellenlängen-abhängige Selektion ohne zweites TIR-Prisma und zweites DMD.
Zusätzlich wird auch nur ein zentriertes abbildendes Gitter 24 zur spektralen Aufspaltung und Rekombination genutzt. Die Dezentrierung des ersten Spektrums auf dem DMD 4 wird durch Neigung der einfallenden Bündel erzeugt. Da in dieser Anordnung nur ein Gitter 24 für Aufspaltung und Rekombination genutzt wird, müssen Spektrum 1 und Spektrum 2 im Gegensatz zur Anordnung 5 die gleiche Orientierung aufweisen.
Erreicht wird dies durch eine zusätzliche Abbildung nach der Pupille 9.
Eine weitere Linse 23 erzeugt in der Symmetrieebene eines Dachkantspiegels 25 ein Zwischenbild vom Spektrum 1, das dann mit der richtigen Orientierung und dem gewünschten Versatz auf das DMD 4 abgebildet wird. Nach der zweiten Selektion wird dann das on-light über Feldlinse 5 und abbildendes Gitter 24 zur Rekombination der Spektralanteile dem punktförmigen Detektor oder Faserausgang 12 zugeführt.
Die Anordnungen nach den Graphiken 7 bis 12 entsprechen denen nach Graphik 1 bis 6 mit dem Unterschied, dass zur Trennung von on- und off-light kein TIR-Prisma verwendet wird. Bei kleinen Feldern und Aperturen kann die Trennung auch durch genügend lange freie Weglängen erfolgen. Aufwand und Kosten lassen sich dadurch senken.
Die Anordnungen nach den Graphiken 13 und 14 entsprechen denen nach Graphik 1 und 7, wobei anstelle eines flächigen Detektors in der Pupillenebene eine zusätzliche ein Bild des Spektrums auf einem ortsauflösenden Detektor 27 erzeugt.
beschreibt einen Spektraldetektor mit DMD als variablem Raumfilter, wobei ein Spektrum durch ein Gitter erzeugt wird, das Spektrum nicht rekombiniert wird und ein großflächiger Detektor in einer Pupillenebene angeordnet ist.
In erfolgt eine Rekombination des Spektrums und eine punktförmige Auskopplung oder Detektion.
In sind 2 DMD als variabler Raumfilter vorgesehen sowie eine Linsenoptik zur 1:1 Abbildung, wiederum erfolgt eine Rekombination der Spektralanteile in einen Punkt.
enthält eine Spiegeloptik zur 1:1 Abbildung.
beinhaltet den doppelt genutzten DMD als variablen Raumfilter und eine Spiegeloptik zur 1:1 Abbildung.
beinhaltet den doppelt genutzten DMD mit einer Linsenoptik zur 1:1 Abbildung und einer Rekombination am selben Gitter.
Erfindungsgemäß ergeben sich in den gezeigten Anordnungen deutliche applikative Vorteile eines MOEMS-basierten spektralen Detektionsfilters gegenüber dem Stand der Technik
Die größten applikativen Vorteile ergeben sich aus der sich bietenden hohen Flexibilität, verbunden mit den sehr kurzen Schaltzeiten und dem erzeugten hohen Kontrast. Im Einzelnen ergeben sich bspw. folgende interessanten Anwendungsmöglichkeiten:
Flexibles spektrales Filterdesign
Das Filter ist direkt auf die verwendeten Farbstoffe/Anregungslichtquellen anpassbar. Somit unterstützt das Filter mit entsprechend einstellbaren Anregungslichtquellen die Optimierung der Anregungsbedingungen anhand der Absorptionscharakteristik der verwendeten Farbstoffe und erhöht so den Kontrast zu Autofluoreszenzen, da mit geringerer Intensität angeregt werden kann. Dies gilt insbesondere auch für Farbstoffe, die eine sehr geringe Stokes-Verschiebung zwischen Anregung und Emission aufweisen. Durch die erhöhte Kantensteilheit des Spektralfilters gegenüber herkömmlichen Kantenfiltern werden Absorptions- und Emissionsmaximum kaum beschnitten und zurück gestreutes Anregungslicht trotzdem sehr effizient unterdrückt. Zudem lassen sich weitere unerwünschte spektrale Komponenten bei Bedarf einfach unterdrücken (Autofluoreszenz)
Parallelisiertes spektrales Scannen/spektroskopische Anwendungen
Prinzipiell sind mit einem verschiebbaren Spalt in der Fourierebene eines Spektrometers nach dem Stand der Technik mit bis zu wenigen Nanometern spektral aufgelöste Informationen für jeden einzelnen Bildpunkt erhältlich. Hierbei sind aber aufgrund von mechanisch auszuführenden Start/Stop-Bewegungen und einem umfangreichen Satz an aufzunehmenden Daten erhebliche Aufnahmezeiten in Kauf zu nehmen. Die durch die MOEMS ermöglichten Schaltzeiten im Mikrosekundenbereich beschleunigen diesen Prozess enorm. Zusätzlich lassen sich mit den MOEMS beliebige Spaltformate realisieren und zusammen mit der Verwendung eines Zeilendetektors (PMT, CCD, EMCCD, CMOS) lässt sich der Datenaufnahmeprozeß parallelisieren, wodurch die Anzahl der aufzunehmenden Bilder reduziert wird, was die Rate steigert und die Probe schont. Auf diese Weise ist eine sehr schnelle Separation der Signale einer mit mehreren Farbstoffen angefärbten Probe in die jeweiligen Farbstoffkomponenten (Sogenanntes „emission fingerprinting”, siehe auch DE 19915137 , DE 10151217 ) möglich.
Schnelles Multitracking/Excitation fingerprinting
Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit lässt sich das Filter im Mikrosekundenbereich auf geänderte experimentelle Bedingungen anpassen. Das ermöglicht prinzipiell ein extrem schnelles, sogar pixelweises Multitracking, wobei Fluoreszenztransmission und Laserunterdrückung sofort angepasst werden können. Zudem lässt sich auf gleiche Weise mit zusätzlichem Durchstimmen der Anregungswellenlänge ein selektives Anregen und Analysieren der Farbstoffkomponenten innerhalb einer biologischen Probe erreichen („excitation fingerprinting”, siehe DE 10033180 ). Beide Techniken ermöglichen das separierte Darstellen der Farbstoffkomponenten in individuellen Bildkanälen.
Pinholejustage
Bei Einkopplung des Anregungslichtes über die erste MOEMS-Stufe, nutzen sowohl Anregungslicht als auch Detektionslicht dasselbe Pinhole. Demzufolge ergeben sich keine Fehljustierungen zwischen Anregungsspot auf der Probe und dem Pinhole. Zudem werden durch Hauptstrahlteilerlösungen keine zusätzlichen chromatischen Fehler erzeugt. Das System ist somit uneingeschränkt FCS-tauglich.
Reflexionsmessungen
Durch Auswahl einer geringeren Anzahl an Mikrospiegeln als zum Aufschalten des gesamten Anregungslichtes auf den Strahlengang notwendig wären, lässt sich eine Teilreflektivität der Komponente gewollt erzeugen. Somit lassen sich mit Hilfe von Reflexionsmessungen konfokale Oberflächenanalysen durchführen, die mit konfokalen Systemen nach dem heutigen Stand der Technik aufgrund der hohen Unterdrückung der Anregungsstrahlung an modernen Vielschichtfiltern nicht möglich sind.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht wortsinngemäß an die dargestellten Ausführungen gebunden sondern läst sich durch fachmännisches Handeln über den offenbarten Rahmen hinaus in verschiedener Weise variieren und modifizieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5504575 B1 [0001]
US 6750036 B2 [0002]
US 6809815 B2 [0003]
US 6954306 B2 [0003]
US 58867 B4 [0004]
US 6852967 B2 [0004]
US 6977724 B2 [0004]
DE 102004031049 A1 [0006]
DE 10102033 B4 [0008]
US 6377344 B2 [0009, 0010]
DE 102007002583 A1 [0010]
US 7212338 B2 [0011]
US 6396053 B1 [0012, 0014]
US 6459484 B1 [0012, 0014]
US 7190451 B2 [0014]
DE 19915137 [0054]
DE 10151217 [0054]
DE 10033180 [0055]

Claims

Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung) vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt wobei ein Nutzlichtteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Abbildungsoptik und der Mikrospiegelanordnung oder vor der Mikrospiegelanordnung ein TIR Prisma vorgesehen ist das das Detektionslicht in Richtung der Mikrospiegelanordnung reflektiert und den Nutzlichtteil nach der Spektralselektion in Richtung der Detektion transmittiert.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt wobei ein Nutzlichtteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des Probenlichtes auf die Mikrospiegelanordnung und die Auskopplung des zu detektierenden und des zu blockierenden Lichtes aus Mikrospiegelanordnung über ein TIR-Prisma erfolgt, welches die durch die Mikrospiegelanordnung erzeugte Winkeldifferenz zwischen zu detektierenden und zu blockierenden Lichtanteilen derart vergrößert, dass die Strahlwege der zu blockierenden Lichtanteile nicht durch die freie Apertur einer der Mikrospiegelanordnung nachgeschalteten Kollimationsoptik erfasst werden.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt wobei ein Nutzlichtteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zweite Abbildungsoptik mit einem dispersiven Element, die der Mikrospiegelanordnung nachgeordnet ist, zur Abbildung in ein Pinhole und/oder einen Punktdetektor oder ein Faserende die erzeugte Winkeldispersion aufgehoben wird.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt wobei ein Nutzlichtteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass in der in der Pupillenebene einer der Mikrospiegelanordnung nachgeordneten Kollimationsoptik ein dispergierendes Element angeordnet ist, welches zu einem zur spektralen Aufspaltung des Probenlichtes verwendeten Element identisch ist, so dass alle Spektralanteile des Probenlichtes auf einem Strahlengang wiedervereint werden und anschließend auf einen Detektor abgebildet werden.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der Ansprüche 1–4 wobei zur Dispersion und Abbildung mindestens ein abbildendes Gitter vorgesehen ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt wobei ein Nutzlichtteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der spektralen Selektion mindestens eine zweite Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und eine 1:1 Abbildung der ersten Mikrospiegelanordnung in die zweite Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 6, wobei der zweiten Mikrospiegelanordnung ein zweites TIR Prisma vorgerordnet ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 6 oder 7 wobei die 1:1 Abbildung durch ein telezentrisches Abbildungssystem oder ein katadioptrisches System realisiert wird.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 8, wobei das katadioptrische System eine Dyson Optik ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 6, mit einer Anordnung zur 1:1 Abbildung in der die optischen Mittel ein achromatisch ausgelegtes Linsensystem sind.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 6, mit einer eine Anordnung zur 1:1 Abbildung, in der die optischen Mittel aus achromatischen Linsen und einem Hohlspiegel bestehen.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor, mit einem Detektionsstrahlengang und mindestens einer ersten Abbildungsoptik die spektral dispergiertes Probenlicht in eine Fourier-Ebene so abbildet, dass in dieser die einzelnen spektralen Bestandteile des Probenlichtes räumlich voneinander separiert sind, in dieser Ebene eine Mikrospiegelanordnung vorgesehen ist und durch Ansteuerung der Mikrospiegel eine spektral selektive Richtungsänderung der Detektionsstrahlung erfolgt wobei ein Nutzlichtteil der Detektionsstrahlung auf einen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der spektralen Detektion dieselbe Mikrospiegelanordnung mindestens zweimal durchlaufen wird, wobei im Lichtweg zwischen ersten und zweiten Durchlauf durch optische Mittel ein räumlicher Versatz der Lichtstrahlung mindestens des ersten und zweiten Durchlaufs auf der Mikrospiegelanordnung erzeugt wird.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 12, mit dezentral angeordneten Optiken zur Erzeugung einer ersten und zweiten Abbildung des dispergierten Lichtes auf der Mikrospiegelanordnung.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 12 oder 13, wobei zwischen erstem und zweitem Durchlauf im Strahlengang ein Retroreflektor, vozugsweise ein Dachkantspiegel zur Erzeugung eines räumlichen Versatzes vorgesehen ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 12, wobei eine 1:1 Abbildung durch ein telezentrisches Abbildungssystem oder ein katadioptrisches System realisiert wird.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 15 in der das katadioptrische System eine Dyson Optik ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 15 oder 16, mit eine Anordnung zur 1:1 Abbildung in der die optischen Mittel ein achromatisch ausgelegtes Linsensystem sind.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach Anspruch 15 oder 16, mit einer Anordnung zur 1:1 Abbildung, in der die optischen Mittel aus achromatischen Linsen und einem Hohlspiegel bestehen.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der als mindestens ein spektral dispergierendes Element ein Reflexionsgitter vorgesehen ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der als mindestens ein spektral dispergierende Element ein abbildendes Reflexionsgitter vorgesehen ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der als mindestens ein spektral dispergierendes Element ein Transmissionsgitter vorgesehen ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der als mindestens eine spektral dispergierendes Element ein Prisma vorgesehen ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mikrospiegelanordnung derart angeordnet ist, dass die räumlich separierten Bestandteile des Probenlichtes durch die Mikrospiegel spektral selektiv in zwei verschiedene Raumrichtungen reflektiert werden.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, beide Austrittsrichtungen hinter jeder in der Anordnung eingebrachten Mikrospiegelanordnung deutlich voneinander separiert werden und eine dieser beiden Richtungen in eine Strahlfalle abgebildet wird.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mikrospiegelanordnung eine DMD-Matrix ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mikrospiegelanordnung eine MOEMS-Matrix ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die durch die Mikrospiegelanordnung erzeugte Winkeldifferenz zwischen zu detektierenden und zu blockierenden Lichtanteilen derart groß ist, dass die Strahlwege der zu blockierenden Lichtanteile nicht durch die freie Apertur der nachgeschalteten Kollimationsoptik erfasst werden.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in einer in der Pupillenebene einer der Mikrospiegelanordnung nachgeordneten Kollimationsoptik ein großflächiger Detektor angeordnet ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das spektral gefilterte und zu detektierende Probenlicht auf einen Multikanaldetektor abgebildet wird.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der der Multikanaldetektor ein Multikanalphotomultiplier ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Multikanaldetektor ein linearer oder zweidimensionaler CCD-Detektor ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Multikanaldetektor ein linearer oder zweidimensionaler EMCCD-Detektor ist.
Laser-Scanning-Mikroskop oder Spektraldetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Multikanaldetektor ein linearer oder zweidimensionaler CMOS-Detektor ist.