DE102012205722B4 - Imaging color splitter module, microscope with such a color splitter module and method for imaging an object field in a first and a second image plane - Google Patents
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Abstract
Abbildendes Farbteilermodul miteiner eine erste Linse (2) und eine zweite Linse (3) aufweisenden Abbildungsoptik (4) zum Abbilden eines Objektfeldes (5) in eine erste und eine zweite Bildebene (6, 7) und einem Farbteiler (10), der einen vom Objektfeld (5) bis zum Farbteiler (10) verlaufenden gemeinsamen Strahlengang (14) in einen ersten Strahlengang (15), der bis zur ersten Bildebene (6) verläuft, und in einen zweiten Strahlengang (16), der bis zur zweiten Bildebene (7) verläuft, aufteilt,wobei der gemeinsame Strahlengang (14) und der erste Strahlengang (15) jeweils außeraxial durch die erste Linse (2) verlaufen und der zweite Strahlengang (16) außeraxial durch die zweite Linse (3) verläuft.Imaging color splitter module with an imaging optics (4) having a first lens (2) and a second lens (3) for imaging an object field (5) into a first and a second image plane (6, 7) and a color splitter (10) which moves one of the Object field (5) up to the color splitter (10) common beam path (14) into a first beam path (15), which extends to the first image plane (6), and into a second beam path (16), which extends up to the second image plane (7 ), divided, the common beam path (14) and the first beam path (15) each running non-axially through the first lens (2) and the second beam path (16) running axially through the second lens (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein abbildendes Farbteilermodul, ein Mikroskop mit einem solchen Farbteilermodul sowie ein Verfahren zum Abbilden eines Objektfeldes in eine erste und eine zweite Bildebene.The present invention relates to an imaging color splitter module, a microscope with such a color splitter module and a method for imaging an object field in a first and a second image plane.
Solche abbildende Farbteilermodule werden z.B. in der Fluoreszenzmikroskopie biologischer Proben eingesetzt, um mehrfach gefärbte Proben simultan anzuregen und gleichzeitig zwei Fluoreszenzbilder zu beobachten oder aufzunehmen. Dazu werden bevorzugt monochrome Kameras eingesetzt, so daß eine Farbteilung mittels einem Farbteilermodul durchgeführt wird. Solch ein bekanntes Farbteilermodul beinhaltet üblicherweise eine Abbildungsoptik sowie einen 45° Strahlteiler und zwei Emissionsfilter, wobei der Strahlteiler z.B. in einem parallelisierten oder einem konvergenten Strahlengang angeordnet ist. Dadurch trifft das Licht mit einem jeweils unterschiedlicher Winkelspektrum für unterschiedliche Punkte des abzubildenden Objektfeldes auf den Strahlteiler. Dies führt dazu, daß sowohl der Strahlteiler als auch die Emissionsfilter als dielektrische Elemente ausgelegt werden müssen, was aufgrund der hohen Kosten solcher dielektrischen Elemente zu hohen Kosten bei dem Farbteilermodul führen. Des weiteren wird die Sensitivität durch die endliche Effizienz der dielektrischen Elemente verringert und es sind viele störende Grenzflächen (der drei dielektrischen Elemente) vorhanden.Such imaging color splitter modules are e.g. used in fluorescence microscopy of biological samples to simultaneously excite multi-colored samples and to observe or record two fluorescence images at the same time. For this purpose, monochrome cameras are preferably used so that a color division is carried out by means of a color divider module. Such a known color splitter module usually includes imaging optics and a 45 ° beam splitter and two emission filters, the beam splitter e.g. is arranged in a parallelized or a convergent beam path. As a result, the light strikes the beam splitter with a different angle spectrum for different points of the object field to be imaged. This means that both the beam splitter and the emission filter must be designed as dielectric elements, which lead to high costs for the color splitter module due to the high cost of such dielectric elements. Furthermore, the sensitivity is reduced by the finite efficiency of the dielectric elements and there are many interfering interfaces (of the three dielectric elements).
Die Eigenschaften eines solchen dielektrischen Strahlteilers sind winkelabhängig und haben z.B. eine [1-cos(a)] Charakteristik der spektralen Eigenschaften als Funktion des Lichteinfallswinkels, was folglich zu einer spektral inhomogenen Teilung über das Feld führt. Des weiteren ist die Lage des Übergangs zwischen dem Reflexions- und dem Transmissionsband im Allgemeinen unterschiedlich für die p- und die s-Polarisation. Da bei Fluoreszenzanwendungen das zu detektierende Licht meist unpolarisiert ist, ergibt sich nachteilig eine spektrale Verbreitung des Übergangsbereichs.The properties of such a dielectric beam splitter are angle-dependent and have e.g. a [1-cos (a)] characteristic of the spectral properties as a function of the angle of incidence of light, which consequently leads to a spectrally inhomogeneous division over the field. Furthermore, the location of the transition between the reflection and transmission bands is generally different for the p and the s polarization. Since the light to be detected is mostly unpolarized in fluorescence applications, there is disadvantageously a spectral spread of the transition region.
Die
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein abbildendes Farbteilermodul mit verbesserten Eigenschaften zur Verfügung zu stellen. Des weiteren soll ein verbessertes Verfahren zum spektral selektiven Abbilden eines Objektfeldes in eine erste und eine zweite Bildebene zur Verfügung gestellt werden.Based on this, it is an object of the invention to provide an imaging color divider module with improved properties. Furthermore, an improved method for spectrally selective imaging of an object field in a first and a second image plane is to be made available.
Die Aufgabe wird durch ein abbildendes Farbteilermodul mit einer eine erste und eine zweite Linse aufweisenden Abbildungsoptik zum Abbilden eines Objektfeldes in eine erste und eine zweite Bildebene und einem Farbteiler gelöst, der einen vom Objektfeld bis zum Farbteiler verlaufenden gemeinsamen Strahlengang in einen ersten Strahlengang, der bis zur ersten Bildebene verläuft, und in einen zweiten Strahlengang, der bis zur zweiten Bildebene verläuft, aufteilt, wobei der gemeinsame Strahlengang und der erste Strahlengang jeweils außeraxial durch die erste Linse verlaufen und der zweite Strahlengang außeraxial durch die zweite Linse verläuft.The object is achieved by an imaging color splitter module with an imaging optics having a first and a second lens for imaging an object field in a first and a second image plane and a color splitter which converts a common beam path extending from the object field to the color splitter into a first beam path which extends to runs to the first image plane, and divides into a second beam path that extends to the second image plane, the common beam path and the first beam path each running off-axis through the first lens and the second beam path running off-axis through the second lens.
Unter einem außeraxialen Durchlaufen durch die erste bzw. zweite Linse wird hier insbesondere verstanden, daß der entsprechende Strahlengang nicht symmetrisch zur optischen Achse der Abbildungsoptik ist oder daß der entsprechende Strahlengang neben der optischen Achse bzw. von dieser beabstandet ist, so daß die optische Achse (im Bereich der entsprechenden Linse) nicht in dem entsprechenden Strahlengang liegt. Unter dem Strahlengang wird hier insbesondere verstanden, daß dies der Bereich ist, in dem sich das Licht bei der gewünschten bestimmungsgemäßen Abbildung ausbreitet.An off-axis passage through the first or second lens is understood here in particular to mean that the corresponding beam path is not symmetrical to the optical axis of the imaging optics or that the corresponding beam path is adjacent to or spaced from the optical axis so that the optical axis ( in the area of the corresponding lens) is not in the corresponding beam path. The beam path is understood here in particular to mean that this is the area in which the light propagates when the intended imaging is intended.
Das erfindungsgemäße abbildende Farbteilermodul wird nachfolgend auch als abbildendes spektrales Mehrkanalsystem bezeichnet.The imaging color splitter module according to the invention is also referred to below as an imaging spectral multi-channel system.
Der Farbteiler kann ein spezieller dielektrischer Filter sein, der durch seine besondere Anordnung im Strahlengang und Auslegung die Funktionalitäten eines Farbteilers und eines Emissionsfilters in einem einzelnen Element vereint. Dieser wird im folgenden als Kombinationsfilter bezeichnet.The color splitter can be a special dielectric filter that combines the functionalities of a color splitter and an emission filter in a single element due to its special arrangement in the beam path and design. This is referred to below as a combination filter.
Bei dem erfindungsgemäßen Farbteilermodul kann somit in vorteilhafter Weise der Farbteiler die Eigenschaften eines Farbteilers und eines Emissionsfilters (bevorzugt für den zweiten Strahlengang) in sich vereinen.In the color splitter module according to the invention, the color splitter can thus advantageously combine the properties of a color splitter and an emission filter (preferably for the second beam path).
Somit kann mit der Abbildungsoptik ein spektral selektives Abbilden des Objektfeldes in die erste und zweite Bildebene durchgeführt werden, wobei mittels dem Farbteiler bzw. dem Kombinationsfilter die spektrale Aufspaltung durchgeführt wird, so daß kein zusätzlicher Strahlteiler, wie bei herkömmlichen Farbteilermodulen, notwendig ist. Das erfindungsgemäße Farbteilermodul kann daher auch als strahlteilerloses Farbteilermodul bzw. strahlteilerloses Mehrkanalsystem bezeichnet werden.A spectrally selective imaging of the object field into the first and second image planes can thus be carried out with the imaging optics, the spectral splitting being carried out by means of the color splitter or the combination filter, so that no additional beam splitter, as in conventional color splitter modules, is necessary. The color splitter module according to the invention can therefore also be referred to as a beam splitter-free color splitter module or a beam splitter-free multi-channel system.
Die Abbildungsoptik kann insbesondere als 1:1 -Abbildungsoptik ausgebildet sein.The imaging optics can in particular be designed as 1: 1 imaging optics.
Die Abbildungsoptik kann eine Pupille aufweisen und der Farbteiler ist bevorzugt in der Pupille angeordnet. Insbesondere ist der Farbteiler in der Pupille zwischen beiden Linsen angeordnet.The imaging optics can have a pupil and the color divider is preferably in the pupil arranged. In particular, the color divider is arranged in the pupil between the two lenses.
Bei dem erfindungsgemäßen Farbteilermodul kann der Farbteiler für den ersten Strahlengang eine Reflexion und für den zweiten Strahlengang eine Transmission bewirken.In the color splitter module according to the invention, the color splitter can cause reflection for the first beam path and transmission for the second beam path.
Die Abbildungsoptik kann bevorzugt als telezentrische 4f-Abbildungsoptik ausgebildet sein.The imaging optics can preferably be designed as telecentric 4f imaging optics.
Zwischen der ersten Linse und der ersten Bildebene ist bevorzugt ein weiterer Farbfilter angeordnet. Ferner kann zwischen der zweiten Linse und der zweiten Bildebene ein weiterer Farbfilter angeordnet sein.A further color filter is preferably arranged between the first lens and the first image plane. Furthermore, a further color filter can be arranged between the second lens and the second image plane.
Der Farbfilter bzw. Kombinationsfilter und/oder der weitere Farbfilter bzw. der weitere Kombinationsfilter kann insbesondere als Interferenzfilter und/oder als Emissionsfilter ausgebildet sein.The color filter or combination filter and / or the further color filter or the further combination filter can in particular be designed as an interference filter and / or as an emission filter.
Ferner kann bei dem abbildenden Farbteilermodul der Farbteiler auswechselbar vorgesehen sein.Furthermore, the color divider can be provided interchangeably in the imaging color divider module.
Das abbildende Farbteilermodul kann als Kameraadapter ausgebildet sein, so daß das erste und zweite Bild gleichzeitig aufnehmbar sind. Dies kann durch eine oder zwei Kameras durchgeführt werden.The imaging color splitter module can be designed as a camera adapter, so that the first and second images can be recorded simultaneously. This can be done by one or two cameras.
Bei dem erfindungsgemäßen Farbteilermodul kann ein zweites abbildendes Farbteilermodul vorgesehen sein, das eine eine dritte Linse aufweisende zweite Abbildungsoptik zum Abbilden eines weiteren Objektfeldes in eine dritte und vierte Bildebene und einen weiteren Farbteiler, der einen vom weiteren Objektfeld verlaufenden weiteren gemeinsamen Strahlengang in einen dritten Strahlengang, der bis zur dritten Bildebene verläuft, und in einen vierten Strahlengang, der bis zur vierten Bildebene verläuft, aufteilt, wobei der weitere gemeinsame Strahlengang und der dritte Strahlengang durch die dritte Linse verlaufen und wobei entweder a) das weitere Objektfeld mit der ersten oder zweiten Bildebene zusammenfällt oder auf diese abgebildet wird oder b) das Objektfeld mit der dritten oder vierten Bildebene zusammenfällt oder auf diese abgebildet wird.In the color splitter module according to the invention, a second imaging color splitter module can be provided, which has a second imaging optics having a third lens for imaging a further object field in a third and fourth image plane and a further color splitter, which extends a further common beam path running from the further object field into a third beam path. which extends to the third image plane, and divides into a fourth beam path which extends to the fourth image plane, the further common beam path and the third beam path running through the third lens, and either a) the further object field with the first or second image plane coincides or is mapped onto this or b) the object field coincides with the third or fourth image plane or is mapped onto this.
Zwischen beiden Farbteilermodulen kann eine Zwischenabbildungsoptik vorgesehen sein. An intermediate imaging optics can be provided between the two color splitter modules.
Das zweite Farbteilermodul kann in gleicher Weise wie das erfindungsgemäße Farbteilermodul ausgebildet und weitergebildet sein. Des weiteren ist es möglich, daß bei dem zweiten Farbteilermodul dem weiteren Farbteiler ein reflektives Element nachgeordnet ist, das eine Faltung des vierten Strahlenganges bewirkt, so daß der vierte Strahlengang durch den weiteren Farbteiler und die dritte Linse verläuft. In diesem Fall umfaßt die zweite Abbildungsoptik bevorzugt nur die dritte Linse. Ferner sind der weitere Farbteiler und das reflektive Element bevorzugt so angeordnet, daß nach der durch beide Elemente bewirkten Strahlengangfaltung der dritte und vierte Strahlengang nicht zusammenfallen, sondern z.B. einen vorbestimmten Winkel einschließen.The second color splitter module can be designed and developed in the same way as the color splitter module according to the invention. Furthermore, it is possible that, in the second color splitter module, the further color splitter is followed by a reflective element which causes the fourth beam path to fold, so that the fourth beam path runs through the further color splitter and the third lens. In this case, the second imaging optics preferably comprises only the third lens. Furthermore, the further color splitter and the reflective element are preferably arranged such that after the beam path folding caused by both elements, the third and fourth beam paths do not coincide, but e.g. include a predetermined angle.
Insbesondere kann zwischen dem weiteren Farbteiler und dem reflektiven Element zumindest ein dritter Farbteiler angeordnet sein, der für einen vorbestimmten Wellenbereich mittels Reflexion eine weitere Strahlengangfaltung für einen fünften Strahlengang (bzw. weitere Strahlengänge) bewirkt, der weder mit dem dritten noch mit dem vierten Strahlengang zusammenfällt. In dieser Art und Weise kann mittels dem erfindungsgemäßen Farbteilermodul das Objektfeld spektral selektiv in fünf oder mehr Bildebenen abgebildet werden.In particular, at least a third color splitter can be arranged between the further color splitter and the reflective element, which causes a further beam path folding for a fifth beam path (or further beam paths) for a predetermined wave range, which does not coincide with the third or the fourth beam path . In this way, the object field can be spectrally selectively imaged in five or more image planes by means of the color splitter module according to the invention.
Bei dem zweiten Farbteilermodul können ferner die dritte und vierte Bildebene zusammenfallen.In the second color divider module, the third and fourth image planes can also coincide.
Im allgemeinen können so auch mehr als zwei (erfindungsgemäße) Farbteilermodule hintereinander geschaltet sein. Natürlich kann dazu auch eine Zwischenabbildung eingesetzt werden, die das Bild in das Objektfeld des jeweiligen Farbteilermoduls abbildet.In general, more than two color splitter modules (according to the invention) can also be connected in series. Of course, an intermediate image can also be used for this, which maps the image into the object field of the respective color divider module.
Ferner kann das erfindungsgemäße Farbteilermodul in einem Mikroskop verwendet werden. Insbesondere wird somit auch ein Mikroskop, insbesondere ein Lichtrastermikroskop oder ein Laser-Scanning-Mikroskop, mit einem erfindungsgemäßen Farbteilermodul bereitgestellt.Furthermore, the color splitter module according to the invention can be used in a microscope. In particular, a microscope, in particular a light scanning microscope or a laser scanning microscope, is thus also provided with an ink splitter module according to the invention.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum spektral selektiven Abbilden eines Objektfeldes in eine erste und eine zweite Bildebene mit einer eine erste und eine zweite Linse aufweisenden Abbildungsoptik und einem Farbteiler, bei dem mittels dem Farbteiler ein vom Objektfeld bis zum Farbteiler verlaufender gemeinsamer Strahlengang in einen ersten Strahlengang, der bis zur ersten Bildebene verläuft, und in einen zweiten Strahlengang, der bis zur zweiten Bildebene verläuft, so aufgeteilt wird, daß sowohl der gemeinsame Strahlengang als auch der erste Strahlengang jeweils außeraxial durch die erste Linse verlaufen und der zweite Strahlengang außeraxial durch die zweite Linse verläuft.The object is further achieved by a method for spectrally selective imaging of an object field in a first and a second image plane with an imaging optics having a first and a second lens and a color splitter, in which a common beam path extending from the object field to the color splitter in is used by the color splitter a first beam path, which extends to the first image plane, and is divided into a second beam path, which extends to the second image plane, such that both the common beam path and the first beam path each run off-axis through the first lens and the second beam path off-axis runs through the second lens.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in gleicher Weise wie das erfindungsgemäße Farbteilermodul weitergebildet werden.The method according to the invention can be developed in the same way as the color divider module according to the invention.
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.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained not only in the combinations indicated, but also in other combinations or in Can be used alone without leaving the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform deserfindungsgemäßen Farbteilermoduls 1 ; -
2 eine schematische Draufsicht derLinse 2 von1 ; -
3 eine schematische Detailansicht zur Erläuterung der Abbildung desObjektfeldes 5 in dieerste Bildebene 6 ; -
4 schematisch die Kombination mehrerer Farbteilermodule, -
5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines weiteren Farbteilermoduls1' ; -
6 eine weitere Ansicht zur Erläuterung der Ausführungsform gemäß5 ; -
7 eine Draufsicht der Linse2' der Ausführungsform gemäß5 und6 ; -
8 eine Ansicht zur Erläuterung der Abbildung des Objektfeldes in die erste Bildebene bei der Ausführungsform gemäß5 bis7 ; -
9 eine Ansicht zur Erläuterung einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß5-8 ; -
10-14 verschiedene Möglichkeiten der Ausbildung derFarbfilter 10 bzw.10' und13 bzw.13' , und -
15 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einem erfindungsgemäßen Farbteilermodul.
-
1 is a schematic view of a first embodiment of the color divider module according to theinvention 1 ; -
2nd a schematic plan view of the lens2nd from1 ; -
3rd a schematic detailed view to explain the mapping of theobject field 5 in thefirst image plane 6 ; -
4th schematically the combination of several color divider modules, -
5 is a schematic view of an embodiment of a further color divider module1' ; -
6 another view to explain the embodiment according to5 ; -
7 a top view of the lens2 ' according to theembodiment 5 and6 ; -
8th a view for explaining the mapping of the object field in the first image plane in the embodiment according to5 to7 ; -
9 a view for explaining a modification of the embodiment according to5-8 ; -
10-14 different ways of forming the color filter10th or.10 ' and13 or.13 ' , and -
15 a schematic representation of a microscope with a color divider module according to the invention.
Bei der in
Die Abbildungsoptik
Die erste und zweite Linse
Die Abbildungsoptik
Wie in
Das vom ersten Farbfilter
Das erfindungsgemäße Farbteilermodul
Somit wird das Objektfeld
Mit dem erfindungsgemäßen Farbteilermodul
In
In
Bei dem erfindungsgemäßen Farbteilermodul
Da der erste Farbfilter
Ferner ist es möglich, zwei Farbteilermodule
Nachfolgend werden weitere mögliche Ausbildungen eines weiteren Farbteilermoduls
In
Wie am besten
Durch die Verkippung des ersten Farbfilters
Wenn man die Linse
Das vom ersten Farbfilter
In
Bei der Ausführungsform gemäß
Zusätzlich zu dem ersten Farbfilter kann z.B. ein weiterer Farbfilter mit einer etwas anderen Verkippung zwischen dem Farbfilter
Eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß
Das erfindungsgemäße Farbteilermodul kann beispielsweise als Kameraadapter ausgebildet sein. So können z.B. in der ersten und zweiten Bildebene
Die Farbteilermodule
Die Farbfilter
Ferner können die Farbfilter
Ferner können zwei Filterräder
Natürlich müssen keine Filterräder vorgesehen sein. So kann z.B. ein sich linear erstreckender Langpaßfilter
Ferner ist es möglich, einen sich linear erstreckenden Segmentfilter
In
Die beschriebenen Verschiebungen bzw. Drehungen können entweder manuell oder motorisch erfolgen.The described displacements or rotations can be done either manually or by motor.
In
Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Farbteilermoduls wird somit ein Mikroskop bereitgestellt, bei dem zwei Farbkanäle gleichzeitig detektiert werden können. Damit wird eine Vermeidung von Bildartefakten durch Probenbewegung und/oder -veränderung während des sonst üblichen Farbkanalwechsels vermieden. Auch kann die Belastung insbesondere schnell bleichender oder fototoxisch empfindlicher Proben (insbesondere Lebendzellen) verringert werden. Ferner kann durch die simultane Detektion von zwei Farbkanälen die Experimentdauer halbiert werden, was insbesondere bei datenintensiven Mikroskopiertechniken wichtig ist.The use of the color divider module according to the invention thus provides a microscope in which two color channels can be detected simultaneously. This avoids image artifacts caused by sample movement and / or changes during the otherwise usual color channel change. The load, in particular of rapidly bleaching or phototoxically sensitive samples (in particular living cells) can also be reduced. Furthermore, the simultaneous detection of two color channels can halve the duration of the experiment, which is particularly important in the case of data-intensive microscopy techniques.
Des weiteren können sensitive, monochrome Kameras
Die Darstellung des Mikroskops in
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