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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme. Eine solche Vorrichtung umfaßt unter anderem Mittel zur Strukturierung von Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang des optisch abbildenden Systems mit einer gitterartigen Struktur, die in eine konjugierte Objektebene des optisch abbildenden Systems eingebracht ist. Bei der gitterartigen Struktur kann es sich beispielsweise um eine Strichgitterstruktur in Form eines eindimensionalen Transmissionsgitters, also im wesentlichen um eine Anordnung von Streifen mit vorgegebener Dicke und mit vorgegebenem Abstand zueinander, beispielsweise auf einem transparenten Substrat, handeln. Auch zweidimensionale gitterartige Strukturen können verwendet werden. Zu den zweidimensionalen gitterartigen Strukturen zählen beispielsweise auch schachbrettartig ausgebildete Strukturen. Schließlich können anstelle von Transmissionsgittern auch Phasengitter eingesetzt werden. Die gitterartige Struktur wird über den Strahlengang der Vorrichtung und des optisch abbildenden Systems auf eine Probe, d.h. ein Objekt, welches mit dem optisch abbildenden System untersucht werden soll, abgebildet. Der Strahlengang ist dabei so konzipiert, daß die gitterartige Struktur aus einer konjugierten Objektebene in die Objektebene des optischen Systems abgebildet wird. In einer räumlich insbesondere entlang der optischen Achse - die auch als z-Achse bezeichnet wird - und somit senkrecht zur Beobachtungsebene ausgedehnten Probe macht sich die strukturierte Beleuchtung dann als ein Muster dunkler Streifen in dem Bereich der Probe bemerkbar, der in der Objektebene bzw. der Proben-Schärfeebene, d.h. der Ebene, in der die dreidimensional ausgedehnte Probe scharf abgebildet wird, liegt. In den vor oder hinter dieser Proben-Schärfeebene liegenden Bereichen in der Probe macht sich die strukturierte Beleuchtung mit zunehmenden Abstand zur Schärfeebene weniger bemerkbar, weshalb grundsätzlich eine genauere Analyse der Probe hinsichtlich der Ausdehnung in z-Richtung möglich wird.
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Eine solche Vorrichtung umfaßt außerdem Mittel zur lateralen Variation der Lage der Abbildung der gitterartigen Struktur auf die Probe in der Objektebene. Auf diese Weise kann die Ortsphase der gitterartigen Struktur variiert werden, in der Regel mit Hilfe einer Steuerelektronik. Bei angeschlossener elektronischer Kamera und Bildauswertung ist es mittels der ortphasenabhängigen Detektierung sowie Berechnung der strukturiert aufgenommenen Bilder möglich, ein genaues optisches Schnittbild zu berechnen.
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Die Vorrichtung verfügt außerdem über Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur entlang der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs. Auf diese Weise läßt sich auch die chromatische Längsabberation des optisch abbildenden Systems korrigieren, die dazu führt, daß die Schärfeebenen für unterschiedliche Wellenlängen auf der optischen Achse an unterschiedlichen Orten liegen. Eine Variation ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Probe mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen zur Fluoreszenz angeregt werden soll.
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Eine Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 50 568 A1 beschrieben, sowie in der europäischen Patentschrift
EP 1 307 774 B1 . Auf beide Dokumente wird ausdrücklich Bezug genommen. Die in den beiden Dokumenten beschriebenen Anordnungen bzw. Verfahren sind insbesondere für den Einsatz in der Mikroskopie geeignet, und hier insbesondere im Bereich der Fluoreszenz-Mikroskopie.
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In der
DE 10 2005 023 850 A1 wird ein inverses Mikroskop beschrieben, welches eine Einrichtung umfasst, die es ermöglicht, automatisch zu verschiedenen Objektiven geeignete Modulatoren auszuwählen und in den Abbildungsstrahlengang einzuschwenken.
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In dem Fachartikel von J.-Y. Lin et al., „Wide-field super-resolution optical sectioning microsopy using a single spatial light modulator“, erschienen in Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, Vol. 11, 2009, S. 1-6, ISSN 1464-4258, wird eine Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme beschrieben, bei der verschiedene Gitterstrukturen mittels eines räumlichen Lichtmodulators (SLM) erzeugt werden können.
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Zur Variation der lateralen Lage der Abbildung der gitterartigen Struktur auf die Probe in die Proben-Schärfenebene sieht die
DE 102 50 568 A1 eine planparallele Glasplatte vor, die definiert verkippt werden kann, so daß sich die Abbildung der Strickgitterstruktur auf die Probe in der Probe-Schärfeebene verschiebt. Dies kann beispielsweise mit einem galvanischen Scanner erfolgen, der über eine Streuerelektronik, die sowohl die Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung als auch das optisch abbildende System steuert, angesteuert wird. Zur axialen Bewegung der Struktur wird in der
EP 1 307 774 B1 eine motorisch getriebene Exzenter-Bewegung vorgeschlagen.
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Realisiert werden solche Vorrichtungen beispielsweise im Produkt „ApoTome“ der Firma Carl Zeiss Microlmaging GmbH, welches als Zusatz-Einschubmodul für eine Reihe von hauseigenen Mikroskopen angeboten wird.
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Dabei erfordert die Verwendung verschiedener Objektive - was bei Mikroskopen mit Objektivrevolvern, die beispielsweise drei verschiedene Objektive aufnehmen können, in der Regel ohne Probleme möglich ist - auch daß einem Anwender verschiedene Strickgitterstrukturen zur Verfügung gestellt werden müssen. Je nach Vergrößerung und numerischer Apertur des Objektivs gibt es in einem Satz an vorhandenen gitterartigen Strukturen eine Struktur, die am besten für die zugrundeliegende Anwendung der optischen Schnitterstellung geeignet ist. Idealerweise liefert diese Struktur eine Schnittiefe, die in etwa der Größe des Tiefenschärfebereichs entspricht.
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Bei einem Objektivwechsel schlägt die Steuerelektronik dem Anwender in der Regel anhand einer auf den Objektivdaten, insbesondere der Vergrößerung und der numerischen Apertur basierenden Rechnung, oder durch Aufsuchen in einer Look-up-Tabelle vor, welche gitterartige Struktur am besten zu dem eingewechselten Objektiv paßt. Die Auswahl der gitterartigen Struktur erfolgt dabei anhand der Vergrößerung und der numerischen Apertur des Objektivs sowie gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Beleuchtungslichts. Die Kenndaten der von der Steuerelektronik ausgewählten gitterartigen Struktur aus dem Satz von gitterartigen Strukturen werden dann dem Anwender auf einer Ausgabeeinheit, beispielsweise auf einem Monitor in einem Dialogfenster angezeigt. Der Anwender sollte dann die gitterartige Struktur wechseln, er kann den Vorschlag allerdings auch ignorieren.
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Zum Wechsel der gitterartigen Struktur muß das Modul aus dem Strahlengang und anschließend das Strichgitter aus der Vorrichtung entfernt werden, bevor das einzuwechselnde Strichgitter in eine entsprechende Halterung eingesetzt und dort fixiert wird. Für diese Arbeitsschritte müssen aufgrund der geringen Größe der Träger mit den gitterartigen Strukturen in der Regel Hilfsmittel wie Pinzetten oder ähnliche Greifwerkzeuge eingesetzt werden. Anschließend kann das Modul wieder in das Mikroskop eingesetzt werden.
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Dieser Aufwand ist bei einem gelegentlichen Wechsel des Objektivs gerade noch vertretbar. Bei Mikroskopen mit Objektivwechslern, beispielsweise üblichen Dreifach- oder Fünffach-Objektivrevolvern, die einen Benutzer prinzipiell geradezu einladen, häufiger zwischen verschiedenen Vergrößerungen zu wechseln, ist der Aufwand des Wechselns jedoch unverhältnismäßig hoch und hebt die Vorteile, die der Objektivwechsler als solcher bietet, im Falle einer strukturierten Beleuchtung größtenteils wieder auf.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und die oben beschriebene Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, daß der Aufwand des Wechsels der gitterartigen Struktur für einen Benutzer gegenüber dem Stand der Technik verringert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß sie einen mit einer Streuerelektronik des optisch abbildenden Systems verbundenen Gitterwechsler zum automatischen Wechsel von der gitterartigen Struktur zu mindestens einer weiteren gitterartigen Struktur und / oder zum automatischen Entfernern der gitterartigen Struktur aus dem Beleuchtungsstrahlengang aufweist. Durch die Verwendung eines solchen Gitterwechslers wird beim vollautomatischen Betrieb der manuelle Eingriff des Benutzers überflüssig, da der Gitterwechsler bei einem Objektivwechsel von der Steuerelektronik so angesteuert wird, daß die für das eingewechselte Objektiv am besten passende gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht wird. Die vorher im Strahlengang befindliche gitterartige Struktur wird gleichzeitig oder vorher aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt. Beim Einstellen einer Ruheposition, beispielsweise bei dem Herausziehen der als Modul ausgestalteten Vorrichtung zur Hälfte aus dem Anwendungsgerät, bis eine entsprechende Einrastposition erreicht wird, entfernt der Gitterwechsler die aktuell in dem Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur aus diesem ohne eine weitere gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang einzubringen. Das gleiche erfolgt beim vollständigen Entfernen der Vorrichtung aus dem optisch abbildenden System. Beim Wiedereinsetzen der Vorrichtung bzw. dem Wiedereinstellen einer Arbeitsposition an der Vorrichtung bringt der Gitterwechsler die vorher im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur wieder in den Strahlengang ein, es sei denn, daß das Objektiv gewechselt wurde - in diesem Fall kann bereits eine neue, besser passende gitterartige Struktur ausgewählt und in den Strahlengang eingebracht werden. Die Vorrichtung kann auch halbautomatisch betrieben werden, was bedeutet, daß der Wechsel nur dann vorgenommen wird, wenn der Benutzer diesen im Dialogfenster bestätigt. Ebenso ist die Auswahl einer gitterartigen Struktur durch einen Benutzer über das Dialogfenster möglich, die vom Benutzer ausgewählte gitterartige Struktur wird dann eingewechselt.
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Der automatische Gitterwechsler kann auf verschieden Weisen realisiert werden.
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In einer ersten Ausgestaltung umfaßt der Gitterwechsler ein motorisch relativ zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlenganges bewegbares, transparentes Substrat, auf dem mehrere voneinander verschiedene gitterartige Strukturen aufgebracht sind. Die motorische Bewegung kann beispielsweise senkrecht zur optischen Achse erfolgen, das Einbringen und Wechseln kann aber in einem schrägen Winkel zur optischen Achse oder auf einer Kurvenbahn erfolgen. Für einen Objektivwechsler mit drei Objektiven bietet es sich beispielsweise an, ein Substrat zu verwenden, auf dem drei verschiedene gitterartige Strukturen aufgebracht sind. Jeweils eine der Strukturen, die zu dem ausgewählten Objektiv paßt, ist zu einem Zeitpunkt aktiv und befindet sich im Beleuchtungsstrahlengang. Wird das Objektiv gewechselt, so erfolgt eine Rückmeldung an die Steuerelektronik, die dann den Gitterwechsler entsprechend ansteuert und das Substrat motorisch bewegt, bis die zu dem eingewechselten Objektiv passende gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht ist. Alternativ oder in Ergänzung kann auch ein Steuerprogramm verwendet werden, welches beispielsweise auf einem angeschlossenen PC installiert ist und den Status des Objektivrevolvers mit dem Status des Gitterwechslers abgleicht und dann ggf. einen Wechsel der gitterartigen Struktur einleitet.
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Wird die Vorrichtung, die vorzugsweise als Modul ausgestaltet ist, aus der Arbeitsposition in eine Ruheposition gebracht, so wird das Substrat mit den gitterartigen Strukturen motorisch in eine solche Position gebracht, daß der Strahlengang frei ist und keine gitterartige Struktur in das Objekt, die Probe projiziert wird. Die Ruheposition kann also so gewählt sein, daß die Vorrichtung nur ein kleines Stück bewegt werden muß, so daß für den Fall, daß die gitterartige Struktur nicht aus dem Strahlengang entfernt worden wäre, diese noch sichtbar geblieben wäre.
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Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen der motorischen Bewegung des Substrats möglich. Beispielsweise kann das Substrat verschoben werden - die gitterartigen Strukturen können dann hintereinander auf dem Substrat aufgereiht werden. Auch die Aufbringung der gitterartigen Strukturen auf einem kreisförmigen Substrat ist denkbar. Diese können dann in den Beleuchtungsstrahlengang eingedreht werden, die Symmetrieachse des Substrats liegt parallel zur optischen Achse. Diese Alternative erfordert etwas mehr Platz, ist jedoch mechanisch weniger aufwendig.
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Wird am Objektivrevolver ein Objektiv ausgewechselt, so kann der Benutzer vorteilhaft aus einem Satz von Substraten eines auswählen, welches die aktuelle Kombination von Objektiven enthält.
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Eine andere Ausgestaltung des Gitterwechslers, besteht darin, anstelle eines Substrates, auf dem alle gitterartigen Strukturen aufgebracht sind, mehrere Substrate zu verwenden, wobei auf jedem Substrat jeweils eine gitterartige Struktur aufgebracht ist. Diese Substrate sind motorisch wechselweise in den Beleuchtungsstrahlengang einbringbar. Hierfür sind ebenfalls verschiedene Mechanismen denkbar. Bei beschränktem Platzangebot kann beispielsweise für einen Objektivwechsler mit drei Objektiven ein Schieber verwendet werden, der drei verschiedene Substrate enthält. Auch die Verwendung von drei motorisch angetriebenen Schiebern ist eine denkbare Variante, erfordert jedoch mehr Platz.
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Um das Auswechseln der gitterartigen Strukturen bei einem Objektwechsel derart, daß an dem Objektivrevolver selbst ein Objektiv ausgetauscht wird, vollständig zu vermeiden, ist auch eine Kombination aus einem Schieber und einem Magazin, welches beispielsweise mit der Vorrichtung lösbar verbunden werden kann, möglich. Das Magazin kann beispielsweise nach Art einer Trommel aufgebaut sein, die einzelnen Substrate mit den gitterartigen Strukturen sind strahlenförmig um die zentrische Achse der Trommel gruppiert, die Trommel kann rotiert werden. Der Schieber kann dann beim Objektivwechsel das Substrat auf eine leere Position in der Trommel setzen und nach erfolgter Drehung der Trommel das entsprechende neue Substrat aufnehmen, was eine entsprechende Kennzeichnung der Positionen in der Trommel bzw. der Substrate voraussetzt.
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Auch andere Arten des motorischen Einbringens in den Beleuchtungsstrahlengang durch Einschieben oder Eindrehen oder einer Kombination von beidem sind möglich. Beispielsweise können die einzelnen Substrate auf einem Rad angeordnet sein, welches eine Rotationsachse parallel zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs aufweist. Je nachdem, welches Objektiv beim Drehen des Objektivrevolvers eingewechselt wird, erfolgt eine Drehung des Rades im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Rotationsachse bis das Substrat mit der entsprechenden gitterartigen Struktur in den Strahlengang eingedreht ist. Diese Ausgestaltung erfordert mehr Platz als eine reine auf Schiebern basierende Lösung, ist jedoch mechanisch weniger anfällig und insbesondere für eine geringere Anzahl von Substraten geeignet.
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Auch im Falle der Verwendung einer Trommel oder eines Rades ist es möglich, dies mit der Anordnung mehrerer gitterartigen Strukturen auf einem Substrat wie oben beschrieben zu kombinieren, sofern der zur Verfügung stehende Platz dies erlaubt. Im Falle des Rades kann entweder das ganze Rad senkrecht zur optischen Achse verschoben werden, oder aber es ist so ausgestaltet, daß das Substrat in einer Halterung gehalten wird und zum Einbringen in den Strahlengang nach einer entsprechenden Drehung aus dieser Halterung mittels eines entsprechenden Greifers und/oder Schiebers entfernt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird auf mechanische Mittel zum Wechseln der gitterartigen Strukturen weitestgehend verzichtet. Der Gitterwechsler umfaßt in diesem Fall eine Einheit zur räumlichen Lichtmodulation zur Erzeugung verschiedener gitterartiger Strukturen. Diese werden entsprechend in einer konjugierten Objektebene erzeugt. Diese Einheit zur räumlichen Lichtmodulation (Spatial Light Modulator, SLM) wird elektronisch angesteuert, so daß sie die entsprechenden gitterartigen Strukturen in Abhängigkeit von dem aktuell im Strahlengang befindlichen Objektiv erzeugt. Bei einem Objektivwechsel ändert die elektronische Ansteuerung das Verhalten des räumlichen Lichtmodulators so, daß die diesem Objektiv zugeordnete gitterartige Struktur erzeugt wird; bei einem Entfernen der Vorrichtung oder dem Einstellen der Ruheposition wird der Lichtmodulator entsprechend so geschaltet, daß er das Licht vollständig ohne Strukturierung hindurchläßt.
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Der Gitterwechsler ist zweckmäßig über die Steuerelektronik mit einem Objektivwechsler des optisch abbildenden Systems gekoppelt, wobei die Steuerelektronik so ausgestaltet ist, daß die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhängigkeit von der Vergrößerung und/oder numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs vorgenommen wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß immer die optimal zu einem Objektiv passende gitterartige Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht wird.
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Zweckmäßig umfassen die Mittel zur Variation der Lage der Abbildung außerdem eine der gitterartigen Struktur im Beleuchtungsstrahlengang nachgeordnete planparallele Glasplatte. Diese Glasplatte ist vorzugsweise mittels eines durch die Steuerelektronik angesteuerten galvanischen Scanners gegenüber der optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs neigbar, und zwar um eine Achse, die zu den Strichen der gitterartigen Struktur parallel verläuft und idealerweise die optische Achse schneidet. Durch die Verwendung eines galvanischen Scanners ist eine sehr schnelle Veränderung der Neigung einstellbar, so daß die für die Erzeugung der Schnittbilder notwendigen Aufnahmen - in der Regel mindestens drei bei verschiedenen Neigungswinkeln der Glasplatte - ohne große Verzögerung aufgenommen werden können und sich dies ggf. auch mit einem schnellen Abtasten in z-Richtung, also entlang der optischen Achse, verbinden läßt.
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Außerdem ist es zweckmäßig, daß die Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur einen mittels einer Steuerelektronik angesteuerten Motor mit Exzenter umfassen. Dies ermöglicht die Verschiebung entlang der optischen Achse zum Ausgleich chromatischer Längsabberationen, die auftreten können, wenn für das Beleuchtungslicht verschiedene Wellenlängen verwendet werden. Dies ist beispielsweise bei Fluoreszenzanalysen oft der Fall.
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Die vorangehend beschriebene Vorrichtung läßt sich besonders gut als Modul in einem optisch abbildenden System, beispielsweise in einem Mikroskop verwenden, insbesondere in einem solchen Mikroskop, welches mit einem Objektivrevolver ausgestattet ist. Das aufwendige Wechseln der gitterartigen Strukturen von Hand entfällt hier völlig. Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß beim Einstellen einer Ruheposition an der Vorrichtung der Gitterwechsler die zu diesem Zeitpunkt im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur aus diesem entfernt. Gleiches kann erfolgen, wenn die Vorrichtung insgesamt aus dem optisch abbildenden System entfernt wird. Auf diese Weise sind die gitterartigen Strukturen bzw. die Substrate besser geschützt.
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Umgekehrt ist es möglich, daß beim Einstellen einer Arbeitsposition an der Vorrichtung oder dem Einsetzen der Vorrichtung in das optisch abbildende System der Gitterwechsler wieder die vorher im Beleuchtungsstrahlengang befindliche gitterartige Struktur in den Strahlengang einbringt. Wurde in der Zwischenzeit das Objektiv gewechselt, wird statt dessen die entsprechende weitere gitterartige Struktur in den Strahlengang eingebracht.
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Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, wie oben bereits angedeutet, die Substrate, auch die Räder mit den Substraten oder einzelne Elemente der Trommel bzw. die gesamte Trommel zu ersetzen oder zu ergänzen, sofern die Konfiguration der am Objektivwechsler eingesetzten Objektive verändert wird, also ein Objektiv entfernt und statt dessen ein anderes mit anderer Vergrößerung und anderer numerischen Apertur eingesetzt wird.
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Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
- 1 den prinzipiellen Aufbau eines Beleuchtungsstrahlengangs fürdie strukturierte Beleuchtung,
- 2 ein Substrat mit drei verschiedenen gitterartigen Strukturen,
- 3a einen Gitterwechsler, bei dem eine der drei in 2 gezeigten gitterartigen Strukturen im Beleuchtungsstrahl angeordnet ist, und
- 3b einen Gitterwechsler, bei dem eine andere der in 2 gezeigten gitterartigen Strukturen in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht ist.
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In 1 ist der grundlegende Aufbau einer Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung optisch abbildender Systeme dargestellt, wie sie als Ergänzung des optisch abbildenden Systems, bei dem es sich beispielsweise um ein Mikroskop, beispielsweise um ein Durchlicht- oder Auflichtmikroskop handeln kann, in modularer Bauweise eingesetzt werden kann.
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Die Vorrichtung weist Mittel zur Strukturierung von Beleuchtungslicht in einem Beleuchtungsstrahlengang des optisch abbildenden Systems, welches in 1 in der Übersicht dargestellt ist, auf. In dem in 1 gezeigten Beispiel umfassen diese Mittel zur Strukturierung des Beleuchtungslichts eine als eindimensionales Transmissionsgitter 1 ausgestaltete gitterartige Struktur, die in einer konjugierten Objektebene des optisch abbildenden Systems angeordnet ist. Die Vorrichtung umfaßt auch Mittel zur Variation der Position der gitterartigen Struktur entlang einer optischen Achse A des Beleuchtungsstrahlengangs, die Bewegungsmöglichkeit ist durch den eingezeichneten Doppelpfeil parallel zur optischen Achse dargestellt. Die axiale Variation der Position des Transmissionsgitters 1 kann beispielsweise über eine motorisch betriebene Exzenter-Bewegung erfolgen, die Mittel zur Variation der Position umfassen hierzu einen mittels einer Steuerelektronik angesteuerten Motor mit Exzenter. Auf diese Weise läßt sich der Fehler korrigieren, der durch die chromatische Längsabberation der Linsenkombinationen entsteht und zur Folge hat, daß die Schärfeebenen für unterschiedliche Wellenlängen auf der optischen Achse A an unterschiedlichen Orten liegen.
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In der Wirkung äquivalent zur Verschiebung des Transmissionsgitters 1 ist die Verschiebung einer Tubuslinse 4, die bereits zum optisch abbildenden System gehört. Auch diese Verschiebungsmöglichkeit wird durch einen entsprechenden Doppelpfeil in 1 symbolisiert. Der Ausdruck „Linse“ soll dabei auch komplexere Linsensysteme oder Kittglieder umfassen, die die entsprechend benötigte Wirkung erzeugen.
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Das Licht einer Beleuchtungsquelle 2 wird über eine Kollektoroptik 3 nach dem Durchtritt durch das Transmissionsgitter 1 über die Tubuslinse 4 und ein Objektiv bzw. einen Kondensor 5 in eine Objektebene 6 abgebildet, die idealerweise eine hier nicht eingezeichnete Probe schneidet. Über ein weiteres Objektiv 7 und eine diesem nachgeordnete Tubuslinse 8 wird die Strichgitterstruktur des Transmissionsgitters 1 schließlich in eine Bild-Schärfeebene 9 abgebildet, in der beispielsweise der Detektierungschip einer Kamera, ein üblicher CCD- oder CMOS-Chip angeordnet sein kann, oder aber weitere Abbildungsmittel zur Abbildung auf einen solchen Sensor. Die detektierten Intensitäten werden zu einer Auswerteeinheit weitergeleitet.
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Die Vorrichtung weist außerdem Mittel zur Variation der lateralen Lage der Abbildung der Strichgitterstruktur des Transmissionsgitters 1 auf die Probe in der Objektebene 6 auf. Dazu ist im Beleuchtungsstrahlengang dem Transmissionsgitter 1 im Beleuchtungsrichtung eine planparallele Glasplatte 10 nachgeordnet, diese ist motorisch beispielsweise mittels eines durch die Steuerelektronik angesteuerten galvanischen Scanners gegenüber der optischen Achse A des Beleuchtungsstrahlengang um eine zu den Strichen der Gitterstruktur des Transmissionsgitters 1 parallele Achse neigbar. Diese Achse ist in 1 mit dem Kreuz auf der optischen Achse A in der Glasplatte 10 gekennzeichnet, sie steht senkrecht sowohl zur optischen Achse A als auch zur Blattebene. Durch Neigen der Glasplatte werden die Strahlen des Beleuchtungslichts parallel versetzt, was zu einer Variation der Ortsphase der Struktur in der Proben-Schärfeebene, der Objektebene 6 resultiert. Mittels der ortsphasenabhängigen Detektierung und der oben beschriebenen Minimierung chromatischer Längsfehler wird es möglich, strukturierte Bilder zur Berechnung eines optischen Schnittbildes bei unterschiedlichen chromatischen Bedingungen zu erzeugen. Das Ergebnis kann als Bild dann auf einem hier nicht dargestellten Monitor ausgegeben werden oder zur weiteren Verwertung gespeichert werden.
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Die Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung weist außerdem einen mit der Steuerelektronik des optisch abbildenden Systems verbundenen Gitterwechsler zum halb- oder vollautomatischen Wechsel von der gitterartigen Struktur zu mindestens einer weiteren gitterartigen Struktur und/oder zum Entfernen der gitterartigen Struktur aus dem Beleuchtungsstrahlengang auf. Dieser Gitterwechsler wird durch den Doppelpfeil beim Transmissionsgitter 1 senkrecht zur optischen Achse A symbolisiert. Dabei ist es möglich, daß ein Benutzer auswählt, zu welcher weiteren gitterartigen Struktur gewechselt wird, bevorzugt ist aber der Gitterwechsler über die Steuerelektronik mit einem Objektivwechsler des optisch abbildenden Systems gekoppelt und die Steuerelektronik so ausgestaltet, daß die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhängigkeit von der Vergrößerung und/oder der numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs, welches beim Drehen des Objektivrevolvers als nächstes in den Strahlengang geschwenkt wird, ausgewählt wird. Dies kann vollautomatisch erfolgen, allerdings kann die Steuerelektronik auch so ausgestaltet werden, daß eine Bestätigung seitens des Benutzers erforderlich ist. Weitere Handgriffe zum Wechsel der gitterartigen Struktur sind in keinem Fall notwendig. Alternativ oder in Ergänzung kann auch ein Steuerprogramm verwendet werden, welches auf einem angeschlossenen PC installiert ist und den Status des Objektivrevolvers mit dem Status des Gitterwechslers abgleicht und dann ggf. einen Wechsel der gitterartigen Struktur einleitet.
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Statt die gitterartige Struktur zu wechseln, kann sie auch aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt werden, ohne daß eine weitere gitterartige Struktur in den Strahlengang eingebracht wird. Die ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Vorrichtung aus einer Arbeitsposition in eine Ruheposition verschoben wird, oder vollständig aus dem optisch abbildenden System entfernt wird. Die Vorrichtung ist zu diesem Zweck bevorzugt modular aufgebaut, sie läßt sich so in eine Vielzahl optisch abbildender Systeme, insbesondere in Mikroskope integrieren.
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Für die Konzipierung des Gitterwechslers gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine Möglichkeit besteht darin, den Gitterwechsler so auszugestalten, daß er ein motorisch senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs verschiebbares, transparentes Substrat umfaßt, auf dem mehrere, von einander verschiedene gitterartige Strukturen aufgebracht sind. Ein solches Substrat 11 ist in 2 dargestellt. Es handelt sich um eine einfache planparallele Glasplatte, auf der im vorliegendem Fall binäre Strichgitter 12 aufgebracht sind, die sich in ihrer Strichdicke und Periodizität - also dem Abstand der Striche zueinander - unterscheiden. Anstelle von binären Strichgittern 12a, 12b, 12c lassen sich aber auch andere Gitter, die im wesentlichen die gleiche Wirkung erreichen, verwenden. Während die Transmission beim binären Strichgitter 12a, 12b, 12c grundsätzlich quer zur Richtung der Striche Rechteckform aufweist, so sind auch solche Strichgitter geeignet, bei denen die Transmission quer zur Richtung der Striche kontinuierlich und nicht sprunghaft variiert. So lassen sich beispielsweise auch Sinusgitter verwenden. Ein Substrat kann auch verschiedene Typen solcher Gitter enthalten. Auch Schachbrettmusterstrukturen und zweidimensionale Transmissionsgitter, sowie Phasengitter kommen als gitterartige Strukturen für eine Verwendung in Frage.
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Ein Gitterwechsler, mit dem das transparente Substrat 11 verwendet werden kann, ist beispielsweise in 3a und 3b dargestellt. Der Gitterwechsler umfaßt ein Gehäuse 13, welches einen Motor enthält, mit dem eine Halterung 14, die das Substrat 11, aufnimmt, in einer Ebene, die hier der Blattebene entspricht, verschiebbar ist. Die Halterung 14 ist dazu in einer Führung 15 verschiebbar gelagert. Die Blickrichtung ist vom Objekt her zu sehen, die Glasplatte 10 ist vor dem Substrat 11 angeordnet. In 3a befindet sich das Substrat 12c im Strahlengang. Die Substrate sind so groß, daß sie den gesamten sichtbaren Bereich abdecken können. Der Gitterwechsler wird beispielsweise in einem Mikroskop eingesetzt, welches einen Objektivwechsler mit drei Objektiven aufweist. Entsprechend zu den Objektiven wird das Substrat 11 gewählt, so daß jeweils die zu den Vergrößerungen und/oder numerischen Aperturen am besten passenden Gitterstrukturen auf dem Substrat 11 angeordnet sind. Nimmt ein Benutzer einen Objektivwechsel durch Drehen des Objektivrevolvers vor, erkennt die Steuerelektronik, welches Objektiv in den Strahlengang eingeschwenkt wird und steuert den Motor des Gitterwechslers, so daß die bisherige Gitterstruktur 12c aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt und statt dessen die zu dem Objektiv, welches eingeschwenkt wird, passende Gitterstruktur - in diesem Fall die Gitterstruktur 12a - in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht wird. Ergänzend oder alternativ kann der Wechsel auch, wie oben bereits beschrieben, von einem Steuerprogramm initiiert werden. Das Ergebnis ist in 3b gezeigt.
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Der Gitterwechsler verfügt außerdem noch über einen Sensor 16, der der Steuerelektronik an entsprechenden Positionen des Gitterwechslers im Gerät übermittelt, ob sich der Gitterwechsler in einer Arbeitsposition oder in einer Ruheposition befindet. Im letzteren Fall sorgt die Steuerelektronik dafür, daß der Schieber mit dem Substrat 11 vollständig zurückgefahren wird, so daß sich keine der gitterartigen Strukturen mehr im Beleuchtungsstrahlengang befindet. Auch dieses Verhalten ist selbstverständlich durch einen Benutzer steuerbar. Auf der beleuchtungsseitig gelegenen Seite des Gitterwechslers oder von oben bzw. unten ist es außerdem möglich, Zugang zu dem Substrat 11 zu erhalten, um dieses gegebenenfalls auswechseln zu können. Dazu ist es wiederum möglich, die verschiebbare Halterung 14 in eine Wartungsposition zu fahren, die der vollausgefahrenen Position entspricht und die Vorrichtung aus dem Gerät zu entfernen, ohne daß die verschiebbare Halterung vollständig eingezogen wird und nicht mehr sichtbar ist.
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Bei der in 3a und 3b gezeigten Ausführung erfolgt das Entfernen der einen gitterartigen Struktur und das Einbringen der nächsten gitterartigen Struktur in den Beleuchtungsstrahlengang in einem Schritt, nämlich durch Verschiebung der Halterung 14 mit dem Substrat 11, auf welches die gitterartigen Strukturen aufgebracht sind. In einer ähnlichen Ausführung können die gitterartigen Strukturen aber auch auf einem radförmigen Substrat angeordnet sein, dessen Rotationsachse parallel zur optischen Achse verläuft. Auf ein solches Substrat passen unter Umständen mehr als drei Substrate, was bei einem Objektivwechsel derart, daß beim Objektivwechsler ein Objektiv ausgewechselt wird, die Bedienung erleichtert. Diese Lösung erfordert etwas mehr Platz, ist jedoch in ihre Wirkungsweise äquivalent zu der in 3a und 3b gezeigten Ausgestaltung.
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Außerdem ist es auch möglich, nicht drei gitterartige Strukturen auf einem Substrat 11 unterzubringen, sondern für jede gitterartige Struktur ein Substrat vorzusehen. Diese können motorisch wechselweise in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden, beispielsweise durch Einschieben oder Eindrehen. Beispielsweise können drei Substrate auf drei Schiebern in einem Gehäuse angeordnet sein und bei Objektivwechsel wird derjenige Schieber mit dem bisher aktuellen Strichgitter aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt, woraufhin das zu dem einschwenkenden Objektiv passenden Strichgitter in den Beleuchtungsstrahlengang geschoben wird. Sind die drei Objektive, die der Objektivwechsler im besten Fall aufnimmt, der Steuerelektronik bekannt, so kann anhand des Drehsinnes erkannt werden, welches Objektiv eingeschwenkt wird. Außerdem ist es auch möglich, jede der Positionen des Objektivwechslers einem bestimmten Objektiv zuzuordnen, beispielsweise über Kennungen, die das Objektiv beim Einsetzen in den Wechsler automatisch an die Steuerelektronik bzw. die Steuersoftware übermittelt; alternativ können die Positionen auch per Hand durch einen Benutzer eingegeben werden.
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Der Gitterwechsler ist über die Steuerelektronik und / oder das Steuerprogramm mit dem Objektivwechsler gekoppelt, die Steuerelektronik bzw. das Steuerprogramm ist dabei so ausgestaltet, daß sie die in den Strahlengang einzubringende gitterartige Struktur in Abhängigkeit von der Vergrößerung und/oder der numerischen Apertur des ausgewählten Objektivs auswählt.
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Sofern Substrate mit nur jeweils einer gitterartigen Struktur verwendet werden, können diese nicht nur durch Einschieben, sondern auch durch Eindrehen in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht werden. Die Drehung erfolgt in diesem Fall um eine zur optischen Achse parallele Achse ähnlich der Ausgestaltung mit dem Rad, wobei die Ausgestaltung mit den einzeln einzudrehenden Substraten nicht ganz so viel Platz beansprucht. Denkbar sind auch Kombinationen von Einschieben und Eindrehen, wenn die Gerätearchitektur dies erfordern oder ermöglichen sollte. Auch ist es möglich, Substrate zu verwenden, auf denen mehrere gitterartige Strukturen aufgebracht sind und dennoch verschiedene Substrate gleichzeitig in der Vorrichtung vorzuhalten.
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Anstelle eines Systems aus Substraten und Schiebern/Rädern ist auch die Verwendung eines Gitterwechslers mit einer Einheit zur räumlichen Lichtmodulation möglich, welche verschiedene gitterartige Strukturen erzeugen kann, je nach Ansteuerung. Hierbei kann auf viele mechanische und damit relativ verschleißfreudige Teile verzichtet werden, hinzu kommt jedoch eine relativ komplexe Ansteuerung der Einheit zur Lichtmodulation, deren Verwendung außerdem zu Lichtverlusten führt.
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Die vorangehend beschriebene Vorrichtung zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung erleichtert einem Benutzer eines optisch abbildenden Systems, insbesondere eines Mikroskops mit mehreren Objektiven in einem Objektivrevolver die Anpassung der strukturierten Beleuchtung, die zur Erhöhung der Tiefendiskriminierung verwendet wird, in erheblichem Maß, da sie die Notwendigkeit manueller Eingriffe zur Anpassung der strukturierten Beleuchtung gegenüber im Stand der Technik bekannten Lösungen wesentlich reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Transmissionsgitter
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Kollektoroptik
- 4
- Tubuslinse
- 5
- Objektiv
- 6
- Objektebene
- 7
- Objektiv
- 8
- Tubuslinse
- 9
- Bild-Schärfeebene
- 10
- Glasplatte
- 11
- Substrat
- 12a,b,c
- binäre Strichgitter
- 13
- Gehäuse
- 14
- Halterung
- 15
- Führung
- 16
- Sensor
- A
- optische Achse
