DE102017128773A1

DE102017128773A1 - Detektoranordnung für die Mikroskopie

Info

Publication number: DE102017128773A1
Application number: DE102017128773.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Schumann
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-06
Also published as: WO2019110406A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung (100) zur Detektion von Detektionslicht aus einem mikroskopischen Beobachtungsstrahlengang mit mindestens einem Detektor (102) mit einer rechteckigen oder quadratischen lichtsensitiven Detektionsfläche (104) zur Detektion des Detektionslichtes und mit einem Lichtleiter (110) mit nicht-rundem Querschnitt zur Übertragung des Detektionslichtes an den Detektor sowie ein Konfokalmikroskop mit einer solchen Detektoranordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Detektoranordnung für die Mikroskopie, insbesondere eine optische Detektoranordnung mit Punktdetektoren, wie sie beispielsweise in Konfokalmikroskopen zum Einsatz kommen.
Stand der Technik
Lichtwellenleiter werden in der Mikroskopie häufig zur Übertragung von Licht, etwa von einer Beleuchtungseinrichtung zu dem eigentlichen Mikroskop, verwendet. Es sind über Multimode-Fasern gekoppelte Detektoranordnungen für Konfokalmikroskope bekannt. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise in der US 8456738 B2 beschrieben. In Multimode-Fasern können sich in Abhängigkeit vom Kerndurchmesser und vom Brechungsindexunterschied neben der Grundmode zusätzlich mehrere höhere Moden, in der Regel mehr als hundert bis mehrere Tausend Moden, ausbreiten. Auf diese Weise kann der verschiedene Wellenlängen aufweisende Beobachtungsstrahlengang nach Einkopplung über eine entsprechende Optik in die Multimode-Faser an einen Detektor weitergeleitet werden.
Als Detektoren sind neben CCD- oder CMOS-Kameras für die Weitfeldmikroskopie lichtempfindlichere Detektoren für die Konfokalmikroskopie bekannt, wie Avalanche-Photodioden (APD) oder Photomultiplier-Röhren (PMT), weiterhin Arrays von Avalanche-Photodioden, die auch als Multi Pixel Photon Counter (MPPC) oder Silizium-Photomultiplier bezeichnet werden. Multi Pixel Photon Counters (MPPCs) sind Arrays von APDs (Avalanche-Photodioden), welche jeweils oberhalb der Durchbruchspannung (breakdown voltage) betrieben werden, um eine hohe Verstärkung (10⁵ bis 10⁶) zu erhalten. Bei diesem Betrieb im sogenannten Geiger-Modus erzeugt ein einzelnes Photon einen nachweisbaren Strompuls. Bei einem MPPC stellt jede Avalanche-Photodiode (APD) ein Pixel des Detektors dar. Jede APD verfügt ihrerseits über eine sogenannte Quenching-Schaltung, die dafür sorgt, dass nach einer photoinduzierten Elektronenlawine diese Lawine beendet wird und die APD keinen Schaden nimmt. Dies führt zu einer Totzeit nach der Detektion eines Photons, in welcher von dieser APD kein zweites Photon detektiert werden kann. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen und eine möglichst große Dynamik zu erzielen, ist es zweckmäßig, eine möglichst homogene Ausleuchtung des rechteckigen oder quadratischen Arrays der APDs zu erzielen. Weiterhin ist das Dunkelrauschen von MPPCs stark von der Temperatur abhängig, sodass eine möglichst effiziente Kühlung von Nöten ist, um einen geringen Dunkelstrom und damit ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Alternativ oder zusätzlich kann die Detektoreinheit von anderen Wärmequellen, wie beispielsweise elektronische Baugruppen oder Galvanometermotoren, räumlich entkoppelt werden. Für die optische Ankopplung ist eine Multimode-Glasfaser geeignet. Das runde Kernprofil konventioneller Multimode-Glasfasern muss dann mittels anamorphotischer Optik möglichst flächendeckend auf das rechteckige oder quadratische APD-Array eines MPPCs abgebildet werden.
Auch der Einsatz dieser Multimode-Glasfasern birgt Nachteile: Bei relativ kurzen Übertragungsstrecken ist die Modendurchmischung in Multimode-Glasfasern gering, sodass bei einer nicht vollständigen Ausleuchtung sämtlicher Moden der Faser auf der Einkoppelseite das Strahlprofil auf der Auskoppelseite inhomogen ist. Somit kann selbst bei einer flächendeckenden Abbildung des Faserkerns oder des Raumwinkels am Faserausgang auf die Detektorfläche des MPPCs aufgrund der Inhomogenität des Ausleuchtungsprofils nicht dessen kompletter Dynamikbereich genutzt werden. Eine solche unvollständige Ausleuchtung der Moden der Multimode-Faser kann beispielsweise in einem konfokalen Mikroskop daher kommen, dass das konfokale Pinhole auf die Faseraustrittsseite abgebildet wird. In diesem Fall sind Durchmesser und Apertur des abgebildeten Pinholes von der bildseitigen Apertur des benutzen Abbildungssystems, insbesondere auch des Objektivs, abhängig. Bei größeren Übertragungsstrecken steigt hingegen die Dämpfung der Faser und die Modendispersion. Im betrachteten Anwendungsfall sinkt dadurch die Sensitivität der gesamten Detektoranordnung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Detektoranordnung für die Mikroskopie, insbesondere Konfokalmikroskopie, anzugeben, mit der unter Vermeidung der oben genannten Nachteile eine effektive Übertragung von Detektionslicht an einen Detektor mit rechteckiger oder quadratischer Detektionsfläche, insbesondere an einen Multi Pixel Photon Counter (MPPC), ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Detektoranordnung, eine Verwendung einer solchen Detektoranordnung sowie ein Konfokalmikroskop mit einer solchen Detektoranordnung gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Detektoranordnung umfasst mindestens einen Detektor mit einer rechteckigen oder quadratischen lichtsensitiven Detektionsfläche zur Detektion vom Detektionslicht, das aus einem mikroskopischen Beobachtungsstrahlengang stammt. Außerdem weist die Detektoranordnung einen Lichtleiter mit nicht-rundem Querschnitt zur Übertragung des Detektionslichtes an den Detektor auf. Vorzugsweise ist der Querschnitt des Lichtleiters rechteckig oder quadratisch.
Ein Lichtleiter im Sinne dieser Anmeldung besitzt eine der Beleuchtungsquelle zugewandte Eintrittsfläche und eine dem Detektor zugewandte Austrittsfläche für das Detektionslicht. Der Lichtleiter kann als innen verspiegelter Hohlstab, als innen total-reflektierender, transparenter Vollstab, als Flüssigkeitslichtleiter oder vorteilhafterweise insbesondere als Glasfaser ausgeführt sein. Unter Glasfaser sollen auch Glasfaserbündel verstanden werden. Der optisch wirksame Querschnitt des Lichtleiters ist nicht-rund, insbesondere mit Vorteil quadratisch oder rechteckig ausgeführt.
Um eine hohe Koppeleffizienz zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn ein signifikanter geometrischer Fluss transportiert werden kann, sodass der Lichtleiter vorzugsweise als eine Multimode-Faser ausgebildet ist, wobei der Kern dieser Faser vorzugsweise einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
Es hat sich gezeigt, dass in nicht-rundem, insbesondere rechteckigen oder quadratischen Multimode-Fasern (gleiches gilt für andere mögliche Arten von Lichtleitern) eine starke Modenmischung auftritt, die schon bei vergleichsweise kurzen Faserlängen von weniger als einen halben Meter eine homogene Ausleuchtung von Orts- und Winkelraum bewirkt. Dies erhöht den nutzbaren Dynamikbereich des Detektors bei kurzen und daher wenig dämpfenden Propagationslängen in der Faser.
Der Detektor selbst weist eine rechteckige oder quadratische lichtsensitive Detektionsfläche auf und besteht im Wesentlichen aus einem einzelnen oder aus einer Vielzahl von in Form eines Arrays angeordneten lichtsensitiven Detektionselementen bzw. Sensoren. Solche Sensoren können CCD-, CMOS- oder die eingangserwähnten APD-Sensoren sein. Insbesondere stellt der Detektor einen MPPC-Detektor dar, also einen Multi Pixel Photo Counter, auch Silizium-Photomultiplier genannt. Solche MPPC-Detektoren umfassen ein rechteckiges oder quadratisches Array von APD-Sensoren. Hierzu sei auf die Ausführungen in der Beschreibungseinleitung verwiesen.
Bei der erfindungsgemäßen Detektoranordnung wird vorzugsweise das Austrittslicht des Lichtleiters mit nicht-rundem Querschnitt, insbesondere einer Multimode-Glasfaser mit rechteckigem oder quadratischem Kern, möglichst flächendeckend auf die Detektionsfläche eines oder mehrerer Detektoren, insbesondere MPPC-Detektoren, abgebildet.
Im Folgenden sei ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einer Multimode-Glasfaser mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt des Kerns und einem MPPC-Detektor ausgegangen, um die weiteren Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung besser schildern zu können.
Dadurch, dass die Intensitätsverteilung an der Austrittsfläche der Multimode-Glasfaser sowohl im Ortsraum als auch im Winkelraum ein rechteckiges Profil hat, ist es in unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mittels einer Anpassungsoptik, die zwischen der Austrittsseite des Lichtleiters (Multimode-Glasfaser) und dem (MPPC-)Detektor angeordnet ist, sowohl möglich, den Ortsraum, also die Faseraustrittsfläche auf die Detektionsfläche abzubilden, als auch den Winkelraum, also die Austrittspupille der Faser. Dazu beinhaltet die erfindungsgemäße Detektoranordnung zweckmäßigerweise die bereits erwähnte Anpassungsoptik, bei der es sich um eine zweckmäßig ausgelegte Abbildungsoptik handelt, die den passenden Vergrößerungsmaßstab einstellt, der insbesondere sowohl eine möglichst flächendeckende Ausleuchtung der Detektionsfläche gewährleistet, als auch noch genügend Platz für Fertigungstoleranzen lässt. Die Anpassungsoptik kann weiterhin Justagemittel zur Justage des Ausleuchtungsprofils auf die Detektionsfläche beinhalten. Alternativ zur Verwendung einer Anpassungsoptik wird das Faserende direkt mit dem Detektor verbunden, z.B. verklebt, was jedoch thermisch Nachteile mit sich bringen kann (Kühlung des Detektors, thermische Spannungen).
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Anpassungsoptik derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Austrittsfläche des Lichtleiters auf den überwiegendem Teil, insbesondere auf mindestens 78,5 %, weiterhin insbesondere auf 80 bis 90 % oder darüber der gesamten Fläche der Detektionsfläche, insbesondere auf im Wesentlichen die gesamte Fläche dieser Detektionsfläche abgebildet wird. Während mit einem konventionellen Lichtleiter mit kreisrundem Querschnitt eine Fläche πR² von einer quadratischen Fläche (2R)² ausgeleuchtet werden kann, was einer Ausleuchtung von π/4 = 78,5 % entspricht, kann mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter mit nicht-rundem, insbesondere rechteckigem oder quadratischem Querschnitt ein größerer Teil dieser Fläche, insbesondere im Wesentlichen die gesamte Fläche, ausgeleuchtet werden, womit ein Dynamikgewinn von 4/π, also 27 %, verbunden ist. Zusätzlich entsteht ein Dynamikgewinn durch die oben erwähnte bessere Modenmischung.
In einer anderen Ausführungsform ist die Anpassungsoptik derart ausgestaltet, dass die Austrittspupille des Lichtleiters auf den überwiegenden Teil, insbesondere auf mindestens 78,5 %, weiter insbesondere auf 80 - 90 % oder darüber der Detektionsfläche, insbesondere aber auf die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Detektionsfläche abgebildet wird. Hierzu weist die Anpassungsoptik eine weitere Linse oder Linsengruppe auf, mittels derer die Pupille des Faserendes auf die Detektionsfläche abgebildet wird. Weitere Einzelheiten zu diesen Ausführungsbeispielen ergeben sich aus den nachfolgenden Figurenbeschreibungen.
Schließlich kann es vorteilhaft sein, alternativ oder gleichzeitig die Austrittspupille und/oder die Austrittsfläche der Multimode-Glasfaser auf ein oder mehrere Detektoren abzubilden. Zu diesem Zweck sind zwei oder mehrere Detektoren vorhanden, wobei die Anpassungsoptik eine Strahlteilervorrichtung aufweist, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass Detektionslicht auf zumindest einen der zwei oder mehreren Detektoren geleitet wird. Auf diese Weise kann beispielsweise gleichzeitig das Orts- und Winkelspektrum des Faserendes oder aber verschiedene Wellenlängenbereiche jeweils auf die genannten jeweiligen Detektoren abgebildet werden. Bei schaltbarer Strahlteilervorrichtung kann auch eine sequenzielle Umschaltung zwischen den Spektren erfolgen. Nähere Einzelheiten hierzu werden im Folgenden anhand der Figurenbeschreibung erläutert.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegenden Erfindung die oben ausführlich erläuterte erfindungsgemäße Detektoranordnung in ihrer Verwendung in einem Konfokalmikroskop. In einem wiederum weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein solches Konfokalmikroskop mit einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung. Beide Aspekte sollen im Folgenden gemeinsam behandelt werden, wobei bezüglich der erfindungsgemäßen Detektoranordnung ausdrücklich auf die obigen Ausführungen Bezug genommen werden soll.
Vorzugsweise weist das Konfokalmikroskop eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Beleuchtungsoptik zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs und eine Mikroskopoptik umfassend ein Mikroskopobjektiv zur Ausleuchtung eines Objektfeldes sowie zur Abbildung einer dort anzuordnenden Probe auf, wobei durch das Objektiv ein Beobachtungsstrahlengang erzeugt wird. Dem Objektiv ist im Beobachtungsstrahlengang ein Hauptstrahlenteiler nachgeschaltet, um den Beobachtungsstrahlengang auszukoppeln und einer Detektionseinrichtung zuzuleiten, die die erfindungsgemäße Detektoranordnung aufweist. Weiterhin weist die Detektionseinrichtung zumindest ein konfokales Pinhole und optional eine nachgeschaltete Lichtleitereinkopplungsoptik zur Einkopplung von Detektionslicht aus dem ausgekoppelten Beobachtungsstrahlengang in den Lichtleiter der Detektoranordnung auf. Die Lichtleitereinkopplungsoptik kann weggelassen werden, wenn die Faser direkt hinter dem Pinhole steht.
Als Beleuchtungsquelle ist beispielsweise ein Laser vorgesehen, dessen Licht über eine Single-Mode-Glasfaser zu einem Faserkollimator geleitet wird, der den erzeugten Beleuchtungsstrahlengang über eine Rastervorrichtung (Scanvorrichtung) in Richtung Mikroskopobjektiv leitet. Auf diese Weise wird eine in Objektfeld angeordnete Probe punktweise in der Fokusebene des Mikroskopobjektivs beleuchtet. Gleichzeitig wird über das Mikroskopobjektiv ein Beobachtungsstrahlengang erzeugt, der über die selbe Rastervorrichtung zu dem Hauptstrahlenteiler zurück geleitet wird, der den Beobachtungsstrahlengang auskoppelt und der Detektionseinrichtung zuleitet. Die Detektionseinrichtung umfasst zweckmäßigerweise eine Pinholeabbildungsoptik, die den ausgekoppelten Beobachtungsstrahlengang auf ein Pinhole abbildet. Das konfokale Pinhole wird seinerseits vorzugsweise über eine Lichtleitereinkopplungsoptik auf die Eintrittsfläche des Lichtleiters der Detektoranordnung abgebildet. Das in die Eintrittsseite des Lichtleiters auf diese Weise gelangende Detektionslicht wird, wie oben ausführlich beschrieben, von der erfindungsgemäßen Detektoranordnung weiter verarbeitet. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn ein Konfokalmikroskop mit einem quadratischen Pinhole verwendet wird, welches entsprechend aufgerichtet auf den Faserkern abgebildet werden kann.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung,
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung,
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung,
4 zeigt Detektionsfläche und Ausleuchtungsprofil in einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung und
5 zeigt schematisch die wesentlichen Bestandteile eines erfindungsgemäßen Konfokalmikroskops in einer vorteilhaften Ausgestaltung.

Die Figuren werden übergreifend beschrieben, gleiche Bestandteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung, wobei dem Fachmann klar ist, dass bestimmte Komponenten einer Ausführungsform auch in einer anderen Ausführungsform eingesetzt werden können, ohne den Rahmen der Offenbarung der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
1 zeigt schematisch eine Detektoranordnung 100 zur Detektion von Detektionslicht aus einem mikroskopischen Beobachtungsstrahlengang, wie er beispielsweise von einem Weitfeldmikroskop oder einem Konfokalmikroskop in bekannter Weise erzeugt wird. Alles Licht oder ein Teil des Lichtes aus dem mikroskopischen Beobachtungsstrahlengang wird von einem Detektor 102 mit einer rechteckigen oder quadratischen lichtsensitiven Detektionsfläche 104 detektiert. Üblicherweise handelt es sich bei dieser Detektionsfläche 104 um ein Array von punktförmigen Detektionselementen (vgl. 4), wobei jedes Detektionselement einem Pixel eines zu erzeugenden digitalen Mikroskopbildes entspricht.
Aufgrund ihrer hohen Verstärkung werden in der Konfokalmikroskopie häufig die eingangs erwähnten MPPC-Detektoren, die ein rechteckiges oder quadratisches Array von Avalanche-Photodioden (APDs) darstellen, verwendet. Wie eingangs geschildert sollte zum Zwecke einer möglichst großen Dynamik dieser Detektoren eine möglichst homogene Ausleuchtung der rechteckigen oder quadratischen Detektionsfläche sichergestellt sein. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Detektoranordnung 100 von den restlichen Bestandteilen des Konfokalmikroskops (siehe auch 5) räumlich zu entkoppeln, um den von Wärmequellen verursachten Dunkelstrom in einem MPPC-Detektor möglichst gering zu halten und somit ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen. Die räumliche Entkoppelung und die optische Ankoppelung wird vorliegend mit einem Lichtleiter 110 mit nicht-rundem Querschnitt zur Übertragung des Detektionslichtes an den Detektor 102 vorgenommen. Als Lichtleiter wird in diesem und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen eine Multimode-Glasfaser 110 verwendet, deren Kern einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist. Aufgrund der starken Modenmischung in einer solchen Faser kann schon nach weniger als einem halben Meter Faserlänge eine homogene Ausleuchtung von Orts- und Winkelraum bewirkt werden. Gleichzeitig ist die resultierende Dämpfung aufgrund der Faserlänge noch gering. Dies erhöht den nutzbaren Dynamikbereich des MPPC-Detektors 102. Dieser Dynamikbereich wird weiterhin mittels einer Anpassungsoptik 106 weiter erhöht, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Austrittsfläche an der Austrittsseite 108 der Glasfaser 110 auf mindestens 78,5 % der Detektionsfläche 104 des Detektors 102 abgebildet wird. Weitere Erläuterungen zur Ausleuchtung der Detektionsfläche werden im Zusammenhang mit 4 gemacht.
Bei der Anpassungsoptik 106 handelt es sich um eine geeignet dimensionierte und geeignet angeordnete Abbildungsoptik, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist.
2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer Detektoranordnung 200 zur Detektion von Detektionslicht aus einem mikroskopischen Beobachtungsstrahlengang. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist die Anpassungsoptik 206 derart ausgestaltet und angeordnet, dass die Austrittspupille des Lichtleiters, hier wieder der Multimode-Glasfaser 210 auf die Detektionsfläche 204 des Detektors, hier wieder ein MPPC-Detektor 204 abgebildet wird. Bezüglich aller übrigen Komponenten und deren Funktionsweise sei auf 1 verwiesen.
Die Anpassungsoptik 206 umfasst vorteilhafterweise zwei Linsenglieder, die derart angeordnet sind, dass die Pupille 212 der Austrittsseite 208 der Multimode-Glasfaser 210 auf die Detektionsfläche 204 des MPPC-Detektors 202 abgebildet wird, wobei auch hier insbesondere mindestens 78,5 % der Detektionsfläche ausgeleuchtet werden. Mit der in 2 dargestellten Anordnung kann das Winkelspektrum des Faserendes der Multimode-Glasfaser 210 mit rechteckigem oder quadratischem Kern auf die Detektionsfläche 204 abgebildet werden. Der entsprechende Pupillenstrahlengang ist mit 214 bezeichnet.
3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer Detektoranordnung 300, wobei im Folgenden nur die Unterschiede zu den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 behandelt werden sollen. Die Anpassungsoptik 306 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Strahlteilervorrichtung 312, wobei zwei MPPC-Detektoren 302 der Strahlteilervorrichtung 312 nachgeordnet sind, sodass die die Strahlteilervorrichtung 312 verlassenden Strahlengänge auf die Detektionsflächen 304 der Detektoren 302 fallen. Die Multimode-Glasfaser ist mit 310, ihre Austrittsseite mit 308 bezeichnet. Mit einer solchen Anordnung kann auf einen der beiden Detektoren 302 ein erster Wellenlängenbereich und gleichzeitig auf den anderen der beiden Detektoren 302 ein anderer Wellenlängenbereich abgebildet werden, sodass eine spektrale Detektion des durch die Multimode-Glasfaser transportierten Lichts möglich ist. Die Strahlteilervorrichtung 312 ist hierzu derart ausgestaltet, dass sie beispielsweise chromatisch oder nach Polarisation oder auch neutral das von der Austrittsseite 308 beziehungsweise der Faserendfläche emittierte Licht auf die verschiedenen Detektoren 302 verteilt Die Strahlteilungsvorrichtung 312 kann sowohl fest oder schaltbar, z. B. als Prismen- oder Plättchenteiler, als auch variabel in Form eines Spektrometers, z. B. eines Prismen- oder Gitterspektrometers, aufgebaut sein. Je nach Art der Teilung kann die Abbildung von Faserende (vgl. 1) oder Winkelspektrum (vgl. 2) vorteilhaft sein. Je nach Ausführung der Strahlteilervorrichtung 312 können zugehörige Abbildungsstufen (z. B. Relay-Systeme oder Fernrohre) vonnöten sein, um den kompletten durch die Multimode-Glasfaser transportierten geometrischen Fluss auf den Detektor abzubilden.
4 zeigt beispielhaft und schematisch eine Detektionsfläche 404 eines MPPC-Detektors, wie er in den Detektoranordnungen gemäß den 1 bis 3 zum Einsatz kommen kann. Die Detektionsfläche 404 umfasst ein quadratisches Array von einzelnen Detektionselementen 406 (der Übersichtlichkeit halber ist nur ein solches Element mit Bezugszeichen versehen). Bei einem MPPC-Detektor bilden punktförmige Avalanche-Photodioden (APDs) die jeweiligen Detektionselemente 406. Ein Ausleuchtungsprofil, wie es insbesondere gemäß einer der Ausführungsformen gemäß 1 bis 3 erhalten werden kann, ist mit 402 bezeichnet. Mehr als 78,5 % der quadratischen Detektionsfläche, insbesondere 80 bis 90 %, können ausgeleuchtet werden. Zur Justage des Ausleuchtungsprofils 402 kann die oben erwähnte Anpassungsoptik eine entsprechende Justagevorrichtung beinhalten. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn Raum für Justage oder Fertigungstoleranzen in Form eines Toleranzraums 403 vorgehalten ist, um eine kosteneffiziente Fertigung bei gleichzeitiger maximaler Detektionseffizienz zu gewährleisten. 4 verdeutlicht den Dynamikgewinn im Vergleich mit der Abbildung eines runden Ausleuchtungsprofils auf einen quadratischen Sensor, der mit 4/π, also mit 27 %, beziffert werden kann. Zusätzlich hinzu kommt der Dynamikgewinn durch die bereits erwähnte bessere Modenmischung bei Glasfasern mit rechteckigem oder quadratischem Kernquerschnitt.
Schließlich zeigt 5 eine Ausführungsform eines Konfokalmikroskops 500 in schematischer Ansicht mit seinen wesentlichen Komponenten. Das Konfokalmikroskop 500 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 521 mit einer Beleuchtungsoptik zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Beleuchtungseinrichtung 521 eine Lichtquelle 520, insbesondere einen Laser, dessen Beleuchtungslicht in eine Single-Mode-Glasfaser 526 eingekoppelt und zu einem Faserkollimator 510 weitergeleitet wird, der einen kollimierten Beleuchtungsstrahlungsgang erzeugt. Weiterhin umfasst das Konfokalmikroskop 500 eine Mikroskopoptik mit einem Mikroskopobjektiv 502 zur Ausleuchtung eines Objektfeldes (nicht dargestellt) sowie zur Abbildung einer dort anzuordnenden Probe (nicht dargestellt), wobei durch das Objektiv 502 ein Beobachtungsstrahlengang erzeugt wird. Diese Tatsachen sind prinzipiell bekannt und sollen daher vorliegend nicht weiter vertieft werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt der Beleuchtungsstrahlengang über einen Hauptstrahlenteiler 508 auf eine Scan- bzw. Rastervorrichtung 506, wobei der abgelenkte Strahlengang mittels einer Transportoptik 504 in das Mikroskopobjektiv 502 geleitet wird. Auf diese Weise können in einer Fokusebene der Probe einzelne Probenpunkte sequenziell beleuchtet werden. Das von diesen Probenpunkten emittierte Licht gelangt über das Objektiv 502 sowie über die Transportoptik 504 und die Rastervorrichtung 506 zurück zum Hauptstrahlenteiler 508, der den so erzeugten Beobachtungsstrahlengang auskoppelt und der Detektionseinrichtung 515 des Konfokalmikroskops 500 zuleitet. Die Detektionseinrichtung 515 weist zumindest ein konfokales Pinhole 514 sowie zweckmäßigerweise eine Lichtleitereinkopplungsoptik 516 auf. Das konfokale Pinhole 514 stellt sicher, dass nur Detektionslicht aus dem betrachteten Punkt in der Fokusebene der Probe den Detektor erreicht. Das Pinhole 514 wird mittels der Lichtleitereinkopplungsoptik 516 in die Eintrittsseite einer Multimode-Glasfaser 524 eingekoppelt bzw. abgebildet. In der dargestellten Ausführungsform wird der vom Hauptstrahlenteiler 508 in die Detektionseinrichtung 515 gelangende Beobachtungsstrahlengang über eine Pinhole-Abbildungsoptik 512 auf das Pinhole 514 fokussiert, um dieses optimal auszuleuchten.
Die Multimode-Glasfaser 524 leitet das Detektionslicht räumlich entkoppelt von den übrigen Komponenten des konfokalen Mikroskops 100 an das Detektionsmodul 518 weiter. Das Detektionsmodul 518 entspricht den kastenförmig eingeschlossenen Elementen der Detektoranordnungen gemäß den 1 bis 3. Multimode-Glasfaser 524 und Detektionsmodul 518 bilden zusammen eine solche Detektoranordnung, wie sie beispielsweise in den 1 bis 3 erläutert wurde. Das Detektionsmodul 518 sowie die Lichtquelle 520 und die Rastervorrichtung 506 sind jeweils mit einer Steuerelektronik 522 verbunden, um Scan und Detektion zu synchronisieren bzw. die Intensität der Lichtquelle 520 zu regeln.
Besonders vorteilhaft ist die Gestaltung eines rechteckigen oder quadratischen Pinholes 514, welches dann entsprechend aufgerichtet auf den Faserkern der Multimode-Glasfaser 524 abgebildet werden kann. Mit der hier dargestellten Ausführungsform eines konfokalen Mikroskops 500 kann der Dynamikbereich eines MPPC-Detektors weitaus besser ausgenutzt werden als mit konventionellen Detektoranordnungen.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300: Detektoranordung
102, 202, 302: Detektor
104, 204, 304,404: Detektionsfläche
110, 210, 310, 524: Lichtleiter, Multimode-Faser
106, 206, 306: Anpassungsoptik
108, 208, 308: Austrittsseite
212: Pupille
214: Pupillenstrahlengang
312: Strahlteilungsvorrichtung
402: Ausleuchtungsprofil
403: Toleranzraum
406: Detektionselement
500: Konfokalmikroskop
502: Objektiv
504: Transportoptik
506: Rastervorrichtung
508: Hauptstrahlteiler
510: Faserkollimator
512: Pinhole-Abbildungsoptik
514: Pinhole
515: Detektionseinrichtung
516: Fasereinkopplungsoptik
520: Lichtquelle
521: Beleuchtungseinrichtung
522: Steuerelektronik
524: Detektionsmodul
526: Single-Mode-Glasfaser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8456738 B2 [0002]

Claims

Detektoranordnung (100, 200, 300) zur Detektion von Detektionslicht aus einem mikroskopischen Beobachtungsstrahlengang mit mindestens einem Detektor (102, 202, 302, 518) mit einer rechteckigen oder quadratischen lichtsensitiven Detektionsfläche (104, 204, 304, 404) zur Detektion des Detektionslichtes und mit einem Lichtleiter (110, 210, 310, 524) mit nicht-rundem Querschnitt zur Übertragung des Detektionslichtes an den Detektor.
Detektoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt des Lichtleiters rechteckig oder quadratisch ist.
Detektoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtleiter als eine Multimode-Glasfaser ausgebildet ist.
Detektoranordnung nach Anspruch 3, wobei der Kern der Multimode-Glasfaser einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist.
Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Detektionsfläche (404) ihrerseits ein rechteckiges oder quadratisches Array von Detektionselementen (406) umfasst.
Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor ein Multi Pixel Photon Counter-Detektor ist.
Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Austrittsseite (108, 208, 308) der Multimode-Glasfaser und dem Detektor eine Anpassungsoptik (106, 206, 306) zur Abbildung der Austrittsfläche und/oder der Austrittspupille des Lichtleiters auf die Detektionsfläche des Detektors vorhanden ist.
Detektoranordnung nach Anspruch 7, wobei die Anpassungsoptik (106) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Austrittsfläche des Lichtleiters (110) auf den überwiegenden Teil, insbesondere auf mindestens 78,5 %, weiter insbesondere auf mindestens 80 - 90 % der gesamten Fläche, weiter insbesondere auf die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Fläche der Detektionsfläche (104) des Detektors (102) abgebildet wird.
Detektoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Anpassungsoptik (206) derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Austrittspupille des Lichtleiters auf den überwiegenden Teil, insbesondere auf mindestens 78,5 %, weiter insbesondere auf mindestens 80 - 90 % der gesamten Fläche, weiter insbesondere auf die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Fläche der Detektionsfläche des Detektors abgebildet wird.
Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei zwei oder mehr Detektoren (302) vorhanden sind und die Anpassungsoptik (306) eine Strahlteilervorrichtung (312) aufweist, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass Detektionslicht auf zumindest einen der zwei oder mehr Detektoren (302) geleitet wird.
Verwendung einer Detektoranordnung (100, 200, 300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Konfokalmikroskop (500).
Konfokalmikroskop (500) mit einer Detektoranordnung (524, 518) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Konfokalmikroskop (500) nach Anspruch 12 mit einer Beleuchtungseinrichtung (521) mit einer Beleuchtungsoptik (526, 510) zur Erzeugung eines Beleuchtungsstrahlengangs, einer Mikroskopoptik (502, 504, 506) umfassend ein Mikroskopobjektiv (502) zur Ausleuchtung eines Objektfeldes sowie zur Abbildung einer dort anzuordnenden Probe, wobei durch das Objektiv (502) ein Beobachtungsstrahlengang erzeugt wird, sowie mit einem dem Objektiv (502) im Beobachtungsstrahlengang nach geschalteten Hauptstrahlenteiler (508) zur Auskopplung des Beobachtungsstrahlengangs und zur Zuleitung zu einer die Detektoranordnung (524, 518) umfassenden Detektionseinrichtung (515), wobei die Detektionseinrichtung (515) zumindest ein konfokales Pinhole (514) aufweist.
Konfokalmikroskop (500) nach Anspruch 13, wobei die Detektionseinrichtung (515) außerdem eine Lichtleitereinkopplungsoptik (516) aufweist.
Konfokalmikroskop (500) nach Anspruch 13 oder 14 mit einem nicht-runden, insbesondere rechteckigen oder quadratischen Pinhole (514).