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Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserscansystem zur scannenden 3D- bzw. X, Y, Z-Positionierung der auf ein Objekt zu richtenden Laserspots innerhalb des Schärfentiefenbereichs des Objektivs konfokaler scannenden Bildgebungssysteme, wie Laser-Scanning-Mikroskopen, Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskopen oder Laser-Scanning-Ophthalmoskopen.
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Die üblicherweise in konfokalen scannenden Bildgebungssystemen verwendeten Laserscansysteme haben eine sehr gute Tiefendiskriminierung, das heißt die Laserspots werden präzise in eine vorgegebene Objektebene projiziert. Die Ursache dafür liegt in der räumlichen Filterung mittels eines Pinholes, welches nur Licht aus einer bestimmten Fokustiefe passieren lässt.
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Da aber Objekte nicht nur in einer Fokusebene, sondern oft auch in ihrer Tiefe zu untersuchen sind, besteht ein wissenschaftliches Bedürfnis darin, auch über oder unter dieser Fokusebene liegende Tiefeninformation mittels der Laserscansysteme in konfokalen scannenden Bildgebungssystemen zugänglich zu machen.
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Es ist bekannt, durch ein größeres Pinhole die Tiefendiskriminierung zu reduzieren, um Tiefeninformationen zu erhalten. Nachteilig ist allerdings die sich dadurch in axialer Richtung verringernde optische Auflösung.
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Weiterhin ist es bekannt, die Tiefeninformation des zu untersuchenden Objektvolumens durch Scannen in unterschiedlichen Fokusebenen bei guter Tiefendiskriminierung zu gewinnen, was aber im Vergleich zu den vorgenannten Verfahrensweisen zeitaufwändiger ist und das Objekt einer wesentlich höheren Strahlungsbelastung aussetzt.
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Ein weiteres in diesem Zusammenhang zu beachtendes Problem besteht darin, dass die Punktbildfunktion des gescannten Laserspots als Indikator für die Abbildungsgüte des jeweils beleuchteten Objektpunktes von der lateralen Position im Objektvolumen bzw. im Bildfeld abhängig ist, da Aberrationen auftreten, die durch das optische System und / oder das Objekt selbst verursacht sind. In anderen Worten: die zumeist auf der optischen Achse sehr gute Punktbildfunktion wird, beispielsweise bedingt durch Beugungserscheinungen an Blenden oder aufgrund des Einflusses der Sensorfläche, zu den lateral liegenden Grenzen des Objektvolumens bzw. zum Bildfeldrand hin zunehmend schlechter.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, Laserscansysteme insbesondere für konfokale scannende Bildgebungssysteme so weiter zu entwickeln, dass die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik behoben sind und mit dem scannenden Abtasten eines Objektvolumens die Erzielung einer optimalen Punktbildfunktion und damit einer hohen Abbildungsgüte bei gleichzeitiger Schonung des Objektes gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Laserscansystem der vorbeschriebenen Art, das ausgebildet ist zur X, Y, Z- bzw. 3D-Positionierung des Laserspots innerhalb des Schärfentiefenbereichs eines Objektivs, vorzugsweise des Objektivs eines konfokalen scannenden Bildgebungssystems,
- – einen X, Y-Scanner zur lateralen Positionierung der Laserspots in Bezug auf die optische Achse des Objektivs,
- – ein adaptives optisches Element zur Z-Positionierung der Laserspots bei gleichzeitiger Korrektur von Bildfehlern an der jeweiligen X, Y, Z-Position, und
- – eine mit dem X, Y-Scanner und dem adaptiven optischen Element verbundene Ansteuereinrichtung, die ihrerseits
- – mit einem Controller zur Vorgabe einer zeitlich und örtlich definierten Folge von X, Y, Z-Positionen, und
– mit einer Messeinrichtung zur Erfassung systembedingter und objektbedingter Bildfehler an diesen X, Y, Z-Positionen in Echtzeit, oder
– mit einem Istwertspeicher für systembedingte Bildfehler an diesen X, Y, Z-Positionen in Verbindung steht.
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Mit dieser Erfindung entsteht ein 3D-Laserscansystem, das je nach Konfiguration bzw. Ausführungsform
- – system- und objektbedingte Bildfehler mittels der Messeinrichtung in Echtzeit erfasst und die erfassten Fehler durch Regelung korrigiert, oder
- – separat erfasste und in einem Istwertspeicher abgelegte systembedingte Bildfehler während des 3D-Scannens aus dem Istwertspeicher abruft und der Ansteuerung des adaptiven optischen Elementes zwecks Fehlerkorrektur zugrundelegt.
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Die Begriffe Bildfehler und Aberrationen werden im Sinne der vorliegenden Erfindung als Synonyme verwendet. Systembedingt entstehen Bildfehler bzw. Aberrationen infolge der Punktbildbeeinflussung durch die optischen Baugruppen beispielsweise eines Laser-Scanning-Mikroskops. Objektbedingte Bildfehler bzw. Aberrationen werden durch Einfluss des Objektmaterials hervorgerufen.
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In einer vorteilhaften Anwendung können mit dem erfindungsgemäßen Laserscansystem erfasste systembedingte Bildfehler zur einmaligen oder wiederholten Kalibrierung konfokaler scannender Bildgebungssystem genutzt werden.
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In unterschiedlichen, jeweils jedoch im Rahmen der Erfindung liegenden Ausführungsformen ist der der X, Y-Scanner entweder in Form eines Galvanometer-Scanners oder eines MEMS-Scanspiegels ausgebildet, wobei der MEMS-Scanspiegel aufgrund seiner geringeren Baugröße und des geringeren Energiebedarfs vorteilhafter ist.
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Das adaptive optische Element weist eine verformbare Reflektorfläche auf, der Aktoren zur definierten Verformung zugeordnet sind. Die Verformung erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen X, Y, Z-Position der Laserspots und damit in Abhängigkeit von den auf diese Position bezogenen Bildfehlern, so dass infolge der Verformung die Bildfehler korrigiert sind. Die Verformung bzw. die Bildfehlerkorrektur erfolgt, wie oben beschrieben, optional entweder durch Regelung anhand von in Echtzeit erfassten Werten oder durch Steuerung anhand gespeicherter Werte.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Aktoren in Form von Elektroden ausgebildet, und die Verformung der Reflektorfläche erfolgt durch elektrostatische Anziehung von Reflektorflächenbereichen, denen Elektroden zugeordnet sind.
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Wird das erfindungsgemäße Laserscansystem in einer Laser-Scanning-Mikroskopanordnung betrieben, ist das adaptive optische Element bevorzugt in einer Pupillenposition im Beleuchtungsstrahlengang und Detektionsstrahlengang angeordnet. Damit wird die Kompensation system- und objektbedingter Bildfehler erreicht. Denkbar ist dagegen die Positionierung des adaptiven optischen Elementes an einer Pupillenposition nur im Beleuchtungsstrahlengang, womit eine Optimierung des Anregungsspots erreicht wird.
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Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Laserscansystem im Zusammenhang mit Systemobjektiven fester Brennweite nutzbar.
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Das erfindungsgemäße Laserscansystem kann sowohl bei der Konfokal- als auch der Multikonfokal-Abtastung des Objektes genutzt werden, wobei bei der Multikonfokal-Abtastung die gleichzeitige X, Y, Z-Positionierung mehrerer Laserspots bei gleichzeitiger Korrektur von Bildfehlern vorgesehen ist.
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Die Messeinrichtung zur Erfassung systembedingter und / oder objektbedingter Bildfehler umfasst einen Wellenfrontsensor zur Laserstrahlcharakterisierung, der vorteilhaft als Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor ausgebildet ist.
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Vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist ein konfokales scannendes Bildgebungssystem, das ausgestattet ist mit
- – einem X, Y-Scanner zur lateralen Positionierung von Laserspots in Bezug auf die optische Achse des Systemobjektivs,
- – einem adaptiven optischen Element zur Z-Positionierung innerhalb des Schärfentiefenbereichs des Systemobjektivs bei gleichzeitiger Korrektur von Bildfehlern, bezogen auf die jeweiligen X, Y, Z-Position der Laserspots innerhalb eines Objekts, und
- – einer mit dem X, Y-Scanner und dem adaptiven optischen Element verbundene Ansteuereinrichtung, die ihrerseits
– mit einem Controller zur Vorgabe bestimmter X, Y, Z-Positionen, und
– mit einer Messeinrichtung zur Erfassung systembedingter und objektbedingter Bildfehler an diesen X, Y, Z-Positionen in Echtzeit, oder
– mit einem Istwertspeicher für systembedingte Bildfehler an diesen X, Y, Z-Positionen in Verbindung steht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1 das erfindungsgemäße Laserscansystem, eingeordnet in den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops,
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2 Beispiele von Bewegungsmustern, die mit der X, Y, Z-Positionierung eines Laserspots mittels des erfindungsgemäßen Laserscansystems erzielbar sind,
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3 beispielhaft die Draufsicht auf eine Anordnung von Aktoren zur Verformung der Reflektorfläche des adaptiven optischen Elementes.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Laserscansystem in den Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops eingeordnet. Das Laserscansystem umfasst im Wesentlichen ein adaptives optisches Element, einen X, Y-Scanner, der vorzugsweise als MEMS-Scanspiegel ausgebildet ist, ein Scanobjektiv und eine Tubuslinse sowie eine Ansteuereinrichtung (zeichnerisch nicht dargestellt), die über Signalwege mit dem X, Y-Scanner und dem adaptiven optischen Element verbunden ist.
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Die Ansteuereinrichtung steht ihrerseits mit einem Controller (zeichnerisch nicht dargestellt) zur Vorgabe einer zeitlich und örtlich definierten Folge von X, Y, Z-Positionen innerhalb eines durch den Laserspot zu beschreibenden Bewegungsmusters in Verbindung.
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In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel ist die Ansteuereinrichtung weiterhin mit einer Messeinrichtung (zeichnerisch nicht dargestellt) zur Erfassung von an den vorgegebenen X, Y, Z-Positionen auftretenden system- und objektbedingten Bildfehlern verbunden. Die Messeinrichtung ist beispielsweise als Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor ausgebildet oder weist einen solchen auf.
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Von dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop sind der Übersichtlichkeit halber lediglich Abschnitte des Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengangs, der Hauptfarbteiler HFT, eine Linse oder Linsengruppe L, ein Reflektor als Strahlumlenkelement und das auf ein zu untersuchendes Objekt gerichtete Mikroskopobjektiv dargestellt.
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Das Beleuchtungslicht ist zunächst auf den Hauptfarbteiler HFT gerichtet und wird von dort auf das adaptive optische Element reflektiert. Das adaptive optische Element weist eine membranartige verformbare Reflektorfläche auf. Deren Verformung erfolgt in Abhängigkeit von den von der Messeinrichtung erfassten, auf die Laserspotpositionen bezogenen Bildfehlern bzw. in Abhängigkeit von Abweichungen der idealen Punktbildfunktion an den Laserspotpositionen.
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Vorgenommen wird die Verformung bestimmter Reflektorflächenbereiche durch elektrostatische Anziehung mittels Elektroden (vgl. 3).
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Mit der Verformung werden nicht nur die erfassten Bildfehler bzw. Abweichungen von der Punktbildfunktion korrigiert, sondern es wird zugleich die Z-Position des Laserspots in dem zu untersuchenden Probenvolumen definiert, wobei die Z-Position stets einer vom X, Y-Scanner vorgegebenen Position des Laserspots zugeordnet ist bzw. mit dieser kommuniziert.
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Als adaptives optisches Element kommt beispielsweise ein von der Montana State University vorgestellter Membranspiegel (Moghimi et. al MOEMS and Miniaturized Systems X, Proc. of SPIE Vol. 7930, 793005) in Betracht, der in der Lage ist, durch eine schaltbare Defokussierung eines kollimierten Laserstrahls über mehrere 10 Tiefenschärfen durchzuführen und den Fokussierungszustand schnell zu verändern.
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Das adaptive optische Element ist in einer Pupillenposition angeordnet. Die Linse oder Linsengruppe L bildet das adaptive optische Element und damit den auf das adaptive optische Element treffenden Laserspot auf den XY-Scanner ab, welcher die laterale Position des Laserspots in Bezug auf die optische Achse innerhalb des durch den Laserspot zu beschreibenden Bewegungsmusters vorgibt.
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Der Detektionsstrahlengang bzw. das Detektionslicht trifft wiederum auf den X, Y-Scanner, der den Strahlengang descannt, und nachfolgend auf das adaptive optische Element, durch das die im Detektionslicht enthaltenen Aberrationen kompensiert werden. Vom adaptiven optischen Element wird der Detektionsstrahlengang zum Hauptfarbteiler reflektiert, den es hin zu einer (nicht dargestellten) Detektionseinrichtung passiert.
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In die Detektionseinrichtung gelangen so Bildinformationen vom Objekt, die hinsichtlich system- und objektbedingter Bildfehler weitestgehend korrigiert sind.
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Vom Erfindungsgedanken eingeschlossen sind ausdrücklich auch Ausgestaltungen der Erfindung, bei denen das adaptive optische Element nicht wie anhand 1 beschrieben sowohl im Beleuchtungs- als auch im Detektionsstahlengang positioniert ist, sondern entweder nur im Beleuchtungs- oder nur im Detektionsstahlengang. Das ist beispielsweise ausführbar, indem das Beleuchtungs- oder das Detektionslicht mittels eines ersten Hauptfarbteilers aus einem gemeinsamen Strahlengang ausgekoppelt und auf das adaptive optische Element gelenkt und von diesem unter Beeinflussung der Wellenfront auf einen zweiten Hauptfarbteiler gerichtet wird, der das betreffende Licht wieder in einen gemeinsamen Strahlengang einkoppelt, während beide Hauptfarbteiler das nicht über das adaptive optische Element zu lenkende Beleuchtungs- bzw. Detektionslicht transmittieren.
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2 zeigt Beispiele von Bewegungsmustern zur Abtastung einer Objektebene oder eines Objektvolumens, die mit der sequentiellen X, Y, Z-Positionierung eines Laserspots mittels des erfindungsgemäßen Laserscansystems erzielbar sind.
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So ist aus 2a) der Verlauf einer mäanderförmigen 2D-Abtastung einer von den Koordinaten X, Y ausgespannten, in der Zeichenebene liegenden und senkrecht zur optischen Achse eines Objektivs ausgerichteten Objektebene ersichtlich. Ein Beispiel für die 3D-Abtastung eines sich in den Koordinaten X, Y, Z erstreckenden Objektvolumens durch Abscannen mehrerer, in unterschiedlichen Tiefen in Z-Richtung liegender Objektebenen zeigt 2b).
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In 2c) ist schematisch die Abtastung einer Objektebene mit beliebiger räumlicher Orientierung innerhalb des Objektvolumens dargestellt, während aus 2d) die Variante eines beliebigen Verlaufs sequentiell gesetzter X, Y, Z-Positionen von Laserspots hervorgeht.
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3 zeigt in Richtung der optischen Achse die Draufsicht auf konzentrisch angeordnete Aktoren in Form von Elektroden, ausgebildet zur Verformung der Reflektorfläche des adaptiven optischen Elementes durch elektrostatische Anziehung. Die Reflektorfläche liegt parallel zur Zeichenebene über den Elektroden.
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In 3a) ist eine zentrale kreisförmige Elektrode R1 von ringförmigen Elektroden R2, R3, R4 und R5 umschlossen. Jede der Elektroden R1, R2, R3, R4, R5 ist gesondert ansteuerbar, so dass eine definiert vorgegebene Verformung der Reflektorfläche in Bezug auf die Parallelität zur Zeichenebene möglich ist. Die Verformung erfolgt in Abhängigkeit von der jeweiligen X, Y, Z-Position der Laserspots und damit in Abhängigkeit von den auf diese Position bezogenen Bildfehlern.
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Diesbezügliche Versuchsanordnungen und deren Erprobung legen Ausgestaltungen mit einer Anzahl von vier oder fünf Elektroden R1, R2, R3, R4, R5 nahe. Prinzipiell können es aber beliebig viele sein.
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Aufgrund der konzentrischen Anordnung der Elektroden R1, R2, R3, R4, R5 kann bei der Ausführungsvariante nach 3a) die Reflektorfläche nur rotationssymmetrisch aktuiert werden. Davon ausgehend ist erfindungsgemäß eine alternative Ausführungsvariante nach 3b) vorgesehen, bei der die Elektroden R1, R2, R3, R4, R5 aus 3a) in Segmente geteilt sind, wobei jedes Segment gesondert ansteuerbar ist, um eine diffizilere Verformung der Reflektorfläche zu ermöglichen. Die hier dargestellte Segmentierung in Quadranten Q1 bis Q4 ist lediglich beispielhaft.
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Bezugszeichenliste
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- HFT
- Hauptfarbteiler
- L
- Linse / Linsengruppe
- Q1, ..., Q4
- Quadranten
- R1, ..., R5
- Elektroden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Moghimi et. al MOEMS and Miniaturized Systems X, Proc. of SPIE Vol. 7930, 793005 [0031]
