-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystem bspw. für die bildgebende Raman-Spektroskopie
-
Raman-Spektroskopie
-
Raman-Spektrometer mit mindestens einer externen Messsonde sind bereits seit geraumer Zeit bekannt, wie bspw. die
DE 94 14 467 U1 und die Publikation
„Device for Raman Difference Spectroscopy", Torsten Frosch, Tobias Meyer, Michael Schmidt und Jürgen Popp in Anal. Chem. 2007, 79, 6159–6166 verdeutlichen.
-
So sind u. a. auch aus der
DE 10 2004 015 946 grundsätzlich eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums eines zu untersuchenden Mediums bekannt. Dabei weist die Vorrichtung zur Erzeugung und zur Detektion eines Raman-Spektrums einer zu untersuchenden Substanz eine optische Faser auf, wobei das erste Ende der optischen Faser über ein Mittel zum Einkoppeln und Auskoppeln von Licht, d. h. über ein geeignetes optisches Kopplungselement sowohl mit einer (Anregungs-)Lichtquelle als auch mit einer Detektionseinheit zur Erfassung eines Raman-Spektrums verbunden ist und über einen freigelegten Teil der optischen Faser Licht in das zu untersuchende Medium ausgekoppelt und Rückstreulicht aus dem zu untersuchenden Medium in die Faser eingekoppelt wird.
-
WO 2013/067996 A1 offenbart eine geeignete optische Faser zum gefilterten Sammeln von Raman-Streustrahlung, die von monochromatisch angeregten Lichtquellen erzeugt wird, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung, welche einen kleinem Außendurchmesser (< 1 mm) über Weglängen > 1 m und einen kleinen Biegeradius unter 5 mm aufweist.
-
Die Verwendung der Raman-spektroskopischen Untersuchungen ist sehr vielfältig, wobei nicht nur eine Faser, sondern auch Faserbündel zum Einsatz kommen. So offenbart
DE 10 2013 020 703 A1 bspw. eine Vorrichtung zur Erzeugung und zur Detektion von Strahlung in einer biologischen Gewebeprobe und eines Raman-Spektrums umfassend eine Laserlichtquelle, einen Detektor, eine Detektions- und Steuereinheit sowie eine, ein Bündel von Lichtleitern mit mindestens einer Faser enthaltende Messsonde zum Aufsetzen auf die Oberfläche der biologischen Gewebeprobe, wobei Laserlicht in eine oder mehrere Fasern des Bündels von Lichtleitern einkoppelbar und über ein Fokussierelement auf die Oberfläche der biologischen Gewebeprobe führbar ist und von der Gewebeprobe emittiertes Licht über das Fokussierelement auf den Detektor und/oder ein Raman-Spektrometer leitbar ist. Dabei ist das Fokussierelement am Kopf der Messsonde in Form einer transparenten optischen Linse und einer unmittelbar daneben angeordneten transparenten optischen Linse angeordnet, vermittels derer das Laserlicht der Faser als Raman-Anregungsstrahlung kollimiert einkoppelbar und die Raman-Signalstrahlung in die externe Faser auskoppelbar ist. Der Linse ist dabei ein transparenter optischer Kubus mit anschließender transparenter optischer Linse nachgeordnet ist, so dass der Kubus direkt zwischen der Linse und der Linse positioniert ist, wobei in dem Kubus eine Filterschicht, eine Absorber, ein Spiegel und ein Filter in der Art eingebracht sind, dass durch die Filterschicht der in der Faser entstandene Untergrund auf den Absorber lenkbar und Anregungsstrahlung durch eine Linse auf die Oberfläche der biologischen Gewebeprobe führbar ist, durch die Gewebeprobe generierte Raman-Signalstrahlung durch die Linse sammel- und kollimierbar ist, die Raman-Anregungs- und die Raman-Signalstrahlung durch den Filter im Kubus trennbar ist, so dass die durch den Filter abgetrennte Raman-Signalstrahlung im Kubus durch den Spiegel umlenkbar und über die Linse in die externe Faser koppelbar ist, die in das Raman-Spektrometer mündet.
-
Die
US 005929986 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur synchronen Aufnahme von Ramanbanden. Die spektrale Zerlegung des Lichtes erfolgt mit einem optischen Gitter.
-
Ebenso beruht das in
US 006002476 A1 dargestellte Raman-Imaging System auf der spektralen Zerlegung des Streulichtes durch einen Monochromator. Das System zeichnet sich auch dadurch aus, dass es an ein optisches Mikroskop angekoppelt werden kann, wodurch sich eine bessere laterale Auflösung in den chemischen Bildern erreichen lässt.
-
Aus der
WO 2007/117764 A3 sind ein System und ein Verfahren zur Bildrekonstruktion in einem Faser-Array-Spektralumsetzungssytem bekannt.
-
Spektralumsetzer (Spektralwandler)
-
Ein Spektralumsetzer im Sinne der Erfindung ist ein Bündel aus optischen Fasern, welches auf der einen Seite eine flächige Anordnung und auf der anderen Seite eine linienförmige Anordnung der Faserendflächen aufweist, sodass die auf der flächigen Seite eingehende Strahlung auf eine Dimension reduziert wird.
-
EP 1 984 714 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur Bildrekonstruktion in einem Faserarry-Spektralumwandlungssystem und
US 006002476A ein Raman-Imaging System, an das ein optisches Mikroskop angekoppelt werden kann, aus der
EP 1 994 418 A1 ist ein System und ein Verfahren für einen Faser-Array-Spektralwandler auf der Basis von polymorphem screening bekannt,
EP 1 999 444 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur strukturierten Beleuchtung und Sammlung für eine verbesserte optische Konfokalität der Abbildungen eines Raman-Faser-Array-Spektralumsetzers und eine interaktive Raman-Sondierung.
-
Bei der bildgebenden Spektroskopie sind vier Größen zu erfassen: die Wellenlänge (oder Wellenzahl), die Intensität und zwei Raumkoordinaten auf der Probenebene, wobei für die Zeit- bzw. tiefenaufgelöste Spektroskopie jeweils noch eine weitere Größe hinzu kommt.
-
Bildgebende Raman-spektroskopische Aufnahmen werden überwiegend durch Rasterung der räumlichen Information bzw. durch Rasterung der spektralen Information durchgeführt.
-
Bei der Rasterung der räumlichen Information wird die Probe oder der Strahlengang verfahren, während bei der Rasterung der spektralen Information durchstimmbare optische Filter zur Anwendungen kommen.
-
Durch die Verwendung eines Faserbündels als dimensionsreduzierendes Element lässt sich die Rasterung umgehen. Die optischen Fasern sind dazu auf einer Seite des Bündels in einer Fläche (typischerweise als quadratisches Array) und auf der anderen Seite als Linie angeordnet. Das von der Probe ausgestrahlte Licht wird über eine optische Abbildung auf das Faser-Array abgebildet. Die Linienseite wird in den Spalt eines abbildenden Spektrometers so angeordnet, dass die Faserendflächen entlang einer Dimension auf einen zweidimensionalen Detektor abgebildet werden.
-
Bei zweidimensionalen Detektoren (bspw. CCD) wird nur eine Dimension zu simultanen spektralen Detektion polychromatischer Strahlung benötigt, wohingegen die zweite Dimension frei zum Auslesen mehrerer Spektren ausgenutzt werden kann. Dies führt dazu, dass alle Spektren gleichzeitig aufgenommen werden können. Neben der verringerten Messzeit ist dabei auch die Gleichzeitigkeit der Aufnahme an sich ein entscheidender Vorteil gegenüber Raster-Methoden. Zudem bieten solche Systeme eine sehr hohe spektrale Auflösung durch die Verwendung eines Spektrometers sowie eine beugungsbegrenzte räumliche Auflösung.
-
Damit diese Vorteile jedoch zum Tragen kommen können, ist der Einsatz einer speziellen Beleuchtung erforderlich, welche folgende Bedingungen erfüllen muss:
- • die ausgeleuchtete Fläche soll in ihren Ausmaßen der auf das Faser-Arrays abgebildeten Fläche entsprechen,
- • die Anregungsstrahlung soll homogen auf der ausgeleuchteten Fläche verteilt sein,
- • die Intensität der Anregungsstrahlung soll sich einfach und stufenlos regeln lassen,
- • die Apertur im Anregungsstrahlengang soll einstellbar sein,
- • das Spektrum der Anregung soll monochromatisch und frei von Störeinflüssen sein,
- • die Probe soll mit inkohärentem Licht bestrahlt werden,
- • die beleuchtete und damit zugleich die auf das Faser-Array abgebildete Probenfläche soll einem Mikroskopbild zugeordnet werden,
- • das Einstellen der Polarisation sowie die Beleuchtung mit vollständig unpolarisiertem Licht sollen möglich sein.
-
Die ersten vier Bedingungen folgen aus dem Prinzip der Köhlerschen Beleuchtung. Das Ausleuchten einer zu großen Fläche führt zum Verschmutzen des Strahlengangs mit unerwünschter Streustrahlung. Das Einstellen der Apertur ist notwendig um den Strahlengang an verschiedene Objektive, welche zur Probenbeleuchtung und zum Einsammeln des Streulichts verwendet werden, anzupassen.
-
Erst eine homogene Beleuchtung ermöglicht eine ausreichende Software-gestützte Normierung der Intensitäten der einzelnen Pixel des Faser-Arrays.
-
Das Übersprechen zwischen den Fasern führt bei einer inhomogenen Beleuchtung zu größeren Fehlern. Eine monochromatische Strahlenquelle ist eine Grundvoraussetzung für die Aufnahme von Spektren der spektralen Streustrahlung bzw. Lumineszenz. Im Anregungsstrahlengang erzeugte zusätzliche Strahlung ist dabei geeignet zu filtern.
-
Zur Orientierung ist eine zusätzliche mikroskopische Abbildung notwendig, auf welcher auch die auf das Faser-Array abgebildete, also die beleuchtete, Fläche erkenntlich wird. Das Faser-Array muss dazu durch ein geeignetes Messverfahren genau positionierbar sein. Inkohärentes Licht bedingt dabei eine höhere Auflösung und verhindert störende Interferenzmuster.
-
Da die Raman-Streuung abhängig von der Polarisation der anregenden und analysierten Strahlung ist, ist es oft wünschenswert mit unpolarisiertem Licht zu arbeiten, da dies Einflüsse von polarisationsabhängigen Geräten wie dem Spektrometer minimiert. Eine gewünschte Polarisation ist dann sehr einfach durch einen zusätzlichen linearen Polarisationsfilter einstellbar.
-
Wird statt eines Faser-Arrays ein Liquid-Crystal-Tuneable-Filter (LCTF) verwendet, so wirkt dieser systembedingt wie ein linearer Analysator, weshalb hier eine Beleuchtung mit unpolarisiertem Licht eine starke Vereinfachung darstellt.
-
Ein übliches einfaches Aufweiten eines Lasers widerspricht allen diesen Bedingungen und stellt in der Praxis eine unzureichende Lösung dar.
-
Zwar sind grundsätzlich bereits verschiedene faseroptische Beleuchtungssysteme für andere Anwendungsbereiche bekannt. Diese sind jedoch nicht auf die oben genannten Bedingungen (die acht zuvor stehenden Punkte) für die bildgebende Raman-Spektroskopie abgestimmt.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystem bereitzustellen, welches alle oben genannten acht Bedingungen erfüllt, zugleich noch die hyperspektrale Bildgebung in Rückwärtsstreuung erlaubt (Rückwärtsstreuung bedeutet dabei, dass das Streulicht durch das Objektiv eingesammelt wird, durch welches auch beleuchtet wird.) und aufwandgering auf Faser-Arrays verschiedener Größe einstellbar ist.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. und 9. Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.
-
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass das Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystem so ausgeführt ist, dass das Ende einer optischen Faser mit speziellem Querschnitt (Beleuchtungsfaser) über einen Mikroskopstrahlengang auf die Probe für die bildgebende Raman-Spektroskopie abgebildet wird, wobei das Faserbündel für die Auskopplung des Raman-Streulichtes ein dimensionsreduzierender Spektralumsetzer in diesem optischen System ist.
-
Ein Spektralumsetzer im Sinne der Erfindung ist ein Bündel aus optischen Fasern, welches eingangsseitig (d. h. der Probe zugewandt) eine flächige Anordnung von Fasern in einem Array aufweist und ausgangsseitig (d. h. dem Spektrometer zugewandt) eine linienförmige, geordnete Aufreihung der einzelnen Faserendflächen aufweist, so dass die auf der flächigen Seite eingehende Strahlung auf eine Dimension (Linie) reduziert wird. Ausgangsseitig können zwischen die einzelnen Lichtleitfasern noch Abstandshalter (bspw. Blindfasern) eingefügt werden, um ein Übersprechen zu reduzieren. Die linienförmige Anordnung der Fasern wird in die Spaltebene des Spektrometers platziert oder abgebildet, so dass mithilfe eines zweidimensionalen Detektors (CCD, charge coupled device) eine simultane Aufnahme der kompletten Raman-Spektren aller Fasern erfolgen kann. Insgesamt erlaubt der Spektralumsetzer somit eine simultane Aufnahme der Raman-Spektren aller Positionen in der Probenfläche, die auf die Eingangsebene des Spektralumsetzers abgebildet werden.
-
Dieser zuvor stehend geschilderte Fall bei der Raman-Spektroskopie ist jedoch auch auf andere Arten der optischen Spektroskopie verallgemeinerbar.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Ausführungsbeispiele und der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Aufbaus des Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystems (mit einem Faserbündel als Spektralumsetzer),
-
2: eine Querschnittdarstellung der in 1 dargestellten Beleuchtungsfaser,
-
3: eine Darstellung einer mit einer Strahlprofilkamera aufgenommenen Intensitätsverteilung auf der Probenfläche bei Verwendung des Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystems gemäß 1 mit der Beleuchtungsfaser gemäß 2,
-
4: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines speziellen Faserbündels,
-
5: eine Darstellung der Intensitätsverteilung auf dem Faser-Array bei Verwendung einer homogen streuenden Probe in Kombination mit der Beleuchtungsfaser gemäß 2 und dem Aufbau gemäß 1, wobei das Gitter die Ausmaße des in 4 dargestellten Faserbündels verdeutlicht, und
-
6: eine Darstellung der Polarisationsabhängigkeit der Transmission der Beleuchtungsfaser gemäß 2, wobei mit dem Laser bei 532 nm in die Beleuchtungsfaser eingekoppelt wird. (Die Dreiecke stellen die Polarisationsabhängigkeit des Lasers dar. Die Quadrate beziehen sich auf die Messung mit der Beleuchtungsfaser gemäß 2. Zum Vergleich wurde eine Vergleichsmessung mit einer kürzeren Faser aufgenommen. Die entsprechenden Messwerte sind als Kreise gezeichnet.)
-
Das in 1 dargestellte faseroptische Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystem für die bildgebende Raman-Spektroskopie umfasst eine Messlichtstrahlerzeugungsanordnung und eine Raman-Streulichtauskopplungsanordnung.
-
Die Messlichtstrahlerzeugungsanordnung umfasst einen Laser (1), eine Lochblende (3), eine Linse (4), eine Beleuchtungsfaser (6) mit Stirnseiten (5) und (8), eine Vibrationseinrichtung (7), einen Linienfilter (9), ein Mikroskop mit einer Linse (10), einer Lochblende (16), einem Strahlteiler in Form eines dichroitischen Spiegels (18) und einem Objektiv (19), wobei der Strahlengang ausgehend vom Laser (1) über die Lochblende (3), die Linse (4), die Beleuchtungsfaser (6), den Linienfilter (9), das Mikroskop mit einer Linse (10), den dichroitischen Spiegel (18) und dem Objektiv (19) zur Probe (20) generierbar ist.
-
Dabei können in den Strahlengang zwischen dem Laser (1) und der Lochblende (3) noch ein Teleskop (2) und in den Strahlengang zwischen der Lochblende (16) und dem dichroitischen Spiegel (18) noch ein drehbarer linearer Polarisationsfilter (17) angeordnet sein.
-
Ausgehend von einer monochromatischen Lichtquelle in Form eines Lasers (1) wird das Anregungslicht über eine Linse (4) oder über ein Objektiv in die Stirnseite (5) einer Beleuchtungsfaser (6) eingekoppelt. Die Stirnseite (5) des Eingangskopfs der Beleuchtungsfaser (6) befindet sich dabei kurz hinter der Brennebene der Linse (4), damit eine Fokusbildung in der Beleuchtungsfaser (6) verhindert wird.
-
Vor der Linse (4) [im Strahlengang aus Richtung des Lasers (1) gesehen] befindet sich eine Lochblende (3). Diese dient der schnellen, einfachen und zeitlich stabilen Justage der Leistung mit der die Probe bestrahlt wird.
-
Um den einstellbaren Leistungsbereich zu erhöhen, kann vor der Lochblende (3) [im Strahlengang aus Richtung des Lasers (1) gesehen] noch ein Teleskop (2) angebracht werden. Der aus dieser Leistungsanpassung folgende unterschiedliche Fokusdurchmesser im Brennpunkt der Linse (4) sowie die wechselnde nummerische Apertur bei der Einkopplung in die Stirnseite (5) des Eingangskopfs der Beleuchtungsfaser (6) haben keinen Einfluss auf die Erfüllung der weiteren, eingangs genannten Beleuchtungsbedingungen.
-
Bei der Beleuchtungsfaser (6) handelt es sich um eine stark multimodige optische Faser mit einer Länge von mehreren Dekametern. Die Länge ist entscheidend für die Generierung von depolarisiertem Licht. Die Stirnseite (5) des Eingangskopfs der Beleuchtungsfaser (6) und die Stirnseite (8) des Ausgangskopfs der Beleuchtungsfaser (6) haben die gleiche Gestalt.
-
Die Form des Querschnitts der Faser (6) ist ähnlich der Form der Anordnung der Fasern des Faserbündels (28) auf der Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) in der Raman-Streulichtauskopplungsanordnung.
-
Die Fläche des Querschnitts der Beleuchtungsfaser (6) ist dabei so gewählt, dass die Führung, einer für die Homogenisierung ausreichender Anzahl an Moden, gewährleistet ist.
-
Die Raman-Streulichtauskopplungsanordnung umfasst das Objektiv (19) des Mikroskops, einen Strahlteiler (Filter) in Form eines dichroitischen Spiegel (18), einen Kantenfilter (22), eine Tubuslinse (24), ein Faserbündel (28) mit den Stirnseiten (26 und 29) und ein Raman-Spektrometer (30), wobei der Strahlengang ausgehend von der Probe (20) über das Objektiv (19), den dichroitischen Spiegel (18), den Kantenfilter (22), die Tubuslinse (24), das Faserbündel (28) zu dem Raman-Spektrometer (30) generierbar ist.
-
Dabei kann in den Strahlengang zwischen dem Kantenfilter (22) und der Tubuslinse (24) noch ein Polarisationsfilter (23) eingebaut sein.
-
Über die Kopplung der Beleuchtungsfaser (6) an eine Vibrationseinrichtung (7) wird diese in eine zeitliche Schwingung versetzt. Die Schwingung führt zur zeitlichen Überlagerung der Interferenzen in der Beleuchtungsfaser (6), so dass die Kohärenz für Belichtungszeiten größer einem Vielfachem der Periodendauer der Schwingung verschwindet.
-
Die Beleuchtungsfaser (6) selbst erzeugt durch die Anregung mit der von dem Laser (1) ausgehenden Strahlung ein Störsignal. Dieses Signal wird durch einen Linienfilter (9), welcher alle Wellenlängen außer die der monochromatischen Lichtquelle (1) blockiert, herausgefiltert. Das monochromatische Anregungslicht wird ausgehend von der Stirnseite (8) des Ausgangskopfs der Beleuchtungsfaser (6) über ein Mikroskop mit einer Linse (10) und einem Objektiv (19), auf die Probe (20) abgebildet.
-
Die Stirnseite (8) der Beleuchtungsfaser (6) befindet sich dabei im Brennpunkt der Linse (10) und die Probe (20) befindet sich im Brennpunkt des Objektivs (19). Die Brennweite der Linse (10) wird dabei so gewählt, dass bei gegebenem Objektiv (19) und gegebener Tubuslinse (24) nur der Teil der Probenfläche bestrahlt wird, welcher nach Abbildung durch Objektiv (19) und Tubuslinse (24) auf die Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) der Fläche dessen entspricht.
-
Innerhalb des Strahlengangs des durch die Komponenten (10) und (19) gebildeten unendlich Mikroskops, wird das monochromatische Anregungslicht durch einen Strahlteiler, wie zum Beispiel einem dichroitischen Spiegel (18) im Winkel von 45° oder durch einen Kantenfilter unter sehr geringem Winkel, welcher üblicherweise kleiner als 10° ist, reflektiert. Der Filter (18) transmittiert dabei Strahlung mit einer Wellenlänge größer als die der Anregungswellenlänge und reflektiert Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner oder gleich der Anregungswellenlänge.
-
Durch einen halbdurchlässigen Spiegel (11), welcher auch durch einen Klappspiegel ersetzt werden kann, ist es möglich, durch eine Beleuchtungskomponente (14) zusätzlich Weißlicht (Auflicht) für eine optimale mikroskopische Beleuchtung der Probe (20) einzukoppeln. Bei der Beleuchtungskomponente (14) handelt es sich um ein Beleuchtungssystem, welches die Bedingungen für eine optimale mikroskopische Beleuchtung mit Weißlicht (Auflicht auf die Probe) erfüllt. Im Allgemeinen wird dies durch eine Köhlersche Beleuchtung erreicht. Die Bildebene der Beleuchtungskomponente (14) wird durch eine Abbildung mit der Linse (13) und dem Objektiv (19) auf die Probe (20) übertragen.
-
Zur Aufnahme von Weißlichtbildern (Auflicht- oder Durchlichtaufnahmen) der Probe (20) ist es möglich, das von der Probe (20) ausgehende Licht über einen Klappspiegel (25) oder einen Strahlteiler auf eine Kamera (27) zu leiten.
-
Die Linse (13) und die Beleuchtungskomponente (14) sind so zu wählen, dass eine Probenfläche bestrahlt wird (Auflicht auf die Probe), welche nach Abbildung auf die Kamera (27) der Größe des Kamerachips entspricht. Die Lochblende (16) dient dazu die Apertur im Beleuchtungsstrahlengang bei Verwendung des Lasers (1) so anzupassen, dass genau die volle rückseitige Öffnung des Objektivs (19) ausgeleuchtet wird.
-
Außerdem kann diese Lochblende (16) bei Verwendung der Beleuchtungskomponente (14) als Aperturblende verwendet werden. Der dichroitische Spiegel (18) reflektiert nur Licht mit einer Wellenlänge kleiner gleich der Wellenlänge der Lichtquelle (1). Daher kann dieser entweder kippbar oder mithilfe einer rotierenden Mehrfachaufnahme durch einen 50%-Strahlteiler ersetzt werden.
-
Zur Aufnahme von Durchlichtaufnahmen ist noch eine weitere Beleuchtungskomponente (21) für Weißlicht (Durchlicht durch die Probe hindurch) vorgesehen. Bei Verwendung einer geeigneten Beleuchtungskomponente (21) können so auch bildgebende Transmissionsmessungen durchgeführt werden. Durch den Einsatz eines drehbaren linearen Polarisationsfilters (17) kann die Probe (20) mit linear polarisiertem Licht bestrahlt werden. Durch das Herausnehmen, oder Herausklappen, dieses Polarisationsfilters (17) wird die Probe (20) mit unpolarisiertem Licht bestrahlt.
-
Im Strahlengang des Streulichts, gebildet aus Objektiv (19) und Tubuslinse (24), kann für polarisationsabhängige Messungen ein linearer Polarisationsfilter (23) eingefügt werden.
-
Zur Unterdrückung der Rayleigh-Strahlung und des von der Probe reflektierten Anregungslichts, welches von dem Laser (1) ausgeht, wird ein zusätzlicher Kantenfilter (22) eingefügt.
-
Die Bildebene der Kamera (27) und die Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) befinden sich beide in der Brennebene der Tubuslinse (24).
-
Durch einen Wechsel des Objektivs (19) werden der Anregungsstrahlengang und der Strahlengang des Streulichts in gleicher Weise verändert, so dass weiterhin nur die durch die Stirnseite (26) des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) abgebildete Probenfläche über den Laser (1) beleuchtet wird.
-
Die Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) besteht aus Multimode-Fasern mit z. B. quadratischem Kern und quadratischem Mantel. Die Seitenlänge des Mantels ist dabei nur genau so viel größer als die Seitenlänge des Kerns, wie es für die Lichtführung erforderlich ist.
-
Die Fasern des Faserbündels (28) sind auf der Stirnseite (29) des Ausgangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) in einer Linie angeordnet. Die Stirnseite (29) befindet sich dabei genau in der Spaltebene des Spektrometers (30).
-
In das Faserbündel (28) sind weitere Fasern eingeflochten, welche kein Licht leiten. Diese Zwischenfasern dienen als Abstandshalter auf der Stirnseite (29). In der Anordnung der Fasern liegt zwischen je zwei Fasern des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) stets eine Zwischenfaser. Dadurch wird ein Übersprechen durch die Abbildung im Spektrometer vermieden.
-
Die Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) muss exakt im Strahlengang positioniert werden, damit es genau mit den Ausmaßen der abgebildeten beleuchteten Fläche überlappt.
-
Zur Justage wird dafür ein weiterer Laser (15) mit einer vom Laser (1) verschiedenen Wellenlänge über einen Strahlteiler (12) oder Klappspiegel in den Strahlengang eingebracht. Der Laser (15) wird so justiert, dass der Fokus in der Probenebene (20) genau im Zentrum der durch den Laser (1) beleuchteten Fläche liegt. Dies kann mit der Kamera (27) überprüft werden.
-
Anschließend wird über einen Vergleich mit den durch das Spektrometer (30) erhaltenen Bildern die Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) so positioniert, dass nur die Faser, oder Fasern, im Zentrum durch den Laser (15) beleuchtet werden.
-
Im Folgenden wird an Hand der 1 bis 6 das Ausführungsbeispiel noch konkreter erläutert.
-
Bei dem verwendeten Laser (1) handelt es sich bspw. um einen frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser, welcher eine TEM00-Mode bei 532 nm abstrahlt.
-
Der Laser (1) wird über eine bikonvexe Linse (4) mit 2 cm Brennweite in die Beleuchtungsfaser (6) eingekoppelt.
-
Der konkrete Querschnitt der Beleuchtungsfaser (6) ist in 2 dargestellt. Die Seitenlänge des quadratischen Kerns (111) beträgt 400 μm und die des quadratischen ersten Mantels (222) beträgt 500 μm. Der zweite Mantel (333) ist kreisförmig und hat einen Durchmesser von 650 μm. Die Beleuchtungsfaser (6) ist 30 m lang und in FC-Stecker gefasst. Die Länge ist ausreichend, um nahezu vollständig depolarisiertes Licht zu generieren.
-
Zur Verdeutlichung dieser Tatsache wurde die Intensität am Ende der Beleuchtungsfaser (6) mit Hilfe eines Analysators gemessen. In 6 ist die Abhängigkeit von der Analysatorstellung dargestellt. Die als ausgefüllte Kreise dargestellten Messwerte beziehen sich dabei auf eine Referenzmessung mit einer quadratischen Faser von nur 2 m Länge. Die als ausgefüllte Dreiecke dargestellten Messwerte zeigen die polarisationsabhängige Intensität des Lasers ohne faseroptische Beleuchtung. Alle Messwerte sind zur besseren Vergleichbarkeit normiert dargestellt.
-
Als Vibrationseinrichtung (7) kann eine Vibrationsvorrichtung ähnlich der Vibrationsvorrichtung einer handelsüblichen Zahnbürste verwendet werden.
-
In 3 ist die mit dieser Beleuchtung erreichte Verteilung der Anregungsstrahlung auf der Probe dargestellt. Die Messung wird mit einer Strahlprofilkamera durchgeführt. Die Standardabweichung der Intensität auf dem Plateau beträgt stets weniger als 2%. Die Stirnseite (8) befindet sich im Zentrum der Brennebene einer Linse (10) mit einer Brennweite von 6 cm.
-
Zusammen mit dem 10×-Objektiv (19) ergibt sich eine Vergrößerung um den Faktor 3,3.
-
Durch die Abbildung der Streustrahlung auf die Stirnseite (26) des Eingangs des Faser-Arrays/des Faserbündels (28) kommt noch eine Vergrößerung um den Faktor 10 hinzu. Dies ergibt sich aus der Vergrößerung des Objektivs, da als Linse (24) die passende Tubuslinse gewählt wird.
-
Daraus folgt eine Seitenlänge der Abbildung der Beleuchtungsfaser (6) auf das Faser-Array/das Faserbündel (28) von 1320 μm.
-
In 5 sind die tatsächlichen Maße der Abbildung auf das Faser-Array dargestellt.
-
Das Faserbündel (28) selbst ist in 4 dargestellt. Die 64 identischen, quadratischen Fasern (2222) des Bündels haben jeweils einen Kern mit einer Seitenlänge von 100 μm und einen Mantel mit einer Seitenlänge von 123 μm. Daraus ergibt sich eine Seitenlänge des Faser-Arrays (1111) von rund 1 mm. Auf der dem Spektrometer (30) zugewandten Seite (3333) des Faserbündels befinden sich zwischen je zwei quadratischen Fasern (2222) zwei Zwischenfasern (4444), welche einen runden Querschnitt haben und kein Licht führen.
-
Der Durchmesser der Zwischenfasern beträgt 60 μm. Durch die Zwischenfasern wird ein Übersprechen zwischen den Fasern während der Abbildung auf die CCD unterbunden.
-
Die Beleuchtungskomponente (14) zur Bereitstellung des Weißlichts (Drauflicht auf die Probe) wird über eine Linse (13) mit einer Brennweite von 2 cm zur Probe geleitet. Der dichroitische Spiegel reflektiert nur Licht mit einer Wellenlänge kleiner als ca. 532 nm auf die Probe. Daher kann dieser durch Verkippen mit einem 50%-Strahlteiler ausgetauscht werden.
-
Bei dem Justierlaser (15) handelt es sich um einen He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm, welcher über zwei zusätzliche Spiegel auf einen 50:50-Strahlteiler (12) geleitet wird. Die beiden zusätzlichen Beleuchtungskomponenten (14) und (21) sind kommerzielle Systeme zur Köhlerschen Beleuchtung mit Weißlicht.
-
Der Vorteil dieses Raman-Spektroskopie-Beleuchtungssystems besteht u. a. darin, dass durch eine geeignete Normierung mit einer homogenen streuenden Probe, durch die genau eingestellte Abbildung, durch das geringe Übersprechen zwischen den Fasern und durch die geeignete Beleuchtung genaue qualitative und quantitative Aussagen möglich sind.
-
Der Vorteil dieses Raman-Spektroskopie-Beleuchtungssystems für die bildgebende Raman-Spektroskopie besteht darüber hinaus auch darin, dass es ohne großen finanziellen und technischen Aufwand (Austausch einer Linse) auf Faser-Arrays verschiedener Größe einstellbar ist. Diese preiswerte Erweiterung kann einfach an jedes Raman-Spektrometer adaptiert werden und besitzt somit ein hohes Marktpotenzial.
-
Der Vorteil des Raman-Spektroskopie-Beleuchtungssystem besteht insbesondere darin, dass die ausgeleuchtete Fläche in ihren Ausmaßen der auf das Faser-Arrays abgebildeten Fläche entspricht, die Anregungsstrahlung dabei homogen auf der ausgeleuchteten Fläche verteilt ist, sich die Intensität, der Anregungsstrahlung einfach und stufenlos regeln lässt, die Apertur im Anregungsstrahlengang einstellbar ist, das Spektrum der Anregung monochromatisch und frei von Störeinflüssen ist, die Probe mit inkohärentem Licht bestrahlt werden kann, die beleuchtete und damit zugleich die auf das Faser-Array abgebildete Probenfläche einem Mikroskopbild zugeordnet werden kann und dass das Einstellen der Polarisation sowie die Beleuchtung mit vollständig unpolarisiertem Licht möglich ist.
-
Vorteilhaft ist auch, dass das erfindungsgemäße Raman-Spektroskopie-Beleuchtungs- und Auslesesystem nicht nur für die bildgebende Raman-Spektroskopie, saondern auch für die bildgebende Fluoreszenz-, IR-, Absorptions- und Transmissions-Spektroskopie oder Kombinationen dieser Spektroskopiearten verwendet werden kann.
-
Im Rahmen der Erfindung liegt auch, dass es auch zur zeitgleichen Aufnahme von mindestens zwei Spektren zur Berechnung von Differenzspektren bezogen auf das simultan gemessenes Referenzspektrum, zur Analyse kleinster spektraler Verschiebungen bei der optischen Spektroskopie verwendet werden kann.
-
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, den Ansprüchen und Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Laser
- 2
- Teleskop
- 3
- Lochblende
- 4
- Linse
- 5
- Stirnseite des Eingangskopfs der Beleuchtungsfaser
- 6
- Beleuchtungsfaser
- 7
- Vibrationseinrichtung
- 8
- Stirnseite des Ausgangskopfs der Beleuchtungsfaser
- 9
- Linienfilter
- 10
- Linse
- 11
- halbdurchlässiger Spiegel oder Klappspiegel
- 12
- Strahlteiler
- 13
- Linse
- 14
- Beleuchtungskomponente (für weißes Auflicht)
- 15
- weiterer Laser
- 16
- Lochblende
- 17
- drehbarer, linearer Polarisationsfilter
- 18
- dichroitischer Spiegel
- 19
- Objektiv
- 20
- Probe
- 21
- Beleuchtungskomponente (für weißes Durchlicht)
- 22
- Kantenfilter
- 23
- Polarisationsfilter
- 24
- Tubuslinse
- 25
- Klappspiegel
- 26
- Stirnseite des Eingangs des Faserbündels
- 27
- Kamera
- 28
- Faserbündel
- 29
- Stirnseite des Ausgangs des Faserbündels
- 30
- Raman-Spektrometer
- 111
- quadratischer Kern
- 222
- quadratischer erster Mantel
- 333
- kreisförmiger zweiter Mantel
- 1111
- Faser-Array
- 2222
- quadratische, identische Fasern des Faserbündels
- 3333
- dem Spektrometer zugewandte Seite des Faserbündels
- 4444
- runde Zwischenfasern (nicht lichtleitend)
-
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
-
- DE 9414467 U1 [0002]
- DE 102004015946 [0003]
- WO 2013/067996 A1 [0004]
- DE 102013020703 A1 [0005]
- US 005929986 A1 [0006]
- US 006002476 A1 [0007]
- WO 2007/117764 A3 [0008]
- EP 1984714 A1 [0010]
- US 006002476 A [0010]
- EP 1994418 A1 [0010]
- EP 1999444 A1 [0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „Device for Raman Difference Spectroscopy”, Torsten Frosch, Tobias Meyer, Michael Schmidt und Jürgen Popp in Anal. Chem. 2007, 79, 6159–6166 [0002]
