DE102018204940A1

DE102018204940A1 - Optisches System mit verkippter Beleuchtungsebene und Verfahren zum Beleuchten eines Probenvolumens in einem optischen System mit verkippter Beleuchtungsebene

Info

Publication number: DE102018204940A1
Application number: DE102018204940.8A
Authority: DE
Inventors: Florian Fahrbach
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: WO2019185360A1; DE102018204940B4; US20210072524A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optisches System (1), umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung (7) zum Erzeugen von Beleuchtungslicht (13), eine Aufrichtungsoptik (17) und eine Scanvorrichtung (49) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge mindestens zweier verkippter Beleuchtungsebenen (29) zum Beleuchten eines stationären Probenvolumens (33). Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beleuchten eines Probenvolumens (33). Optische Systeme (1) und Verfahren aus dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass diese einen komplexen Strahlengang aufweisen und mit diesen eine inhomogene Probenbeleuchtung erhalten wird. Das erfindungsgemäße optische System (1) verbessert die Lösungen aus dem Stand der Technik dadurch, dass die mindestens zwei verkippten Beleuchtungsebenen (29) parallel zueinander angeordnet sind. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden zeitlich aufeinanderfolgende Beleuchtungsebenen (29) von einer Scanvorrichtung (49) parallel zueinander versetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System, umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung zum Erzeugen von Beleuchtungslicht, eine Aufrichtungsoptik und eine Scanvorrichtung zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge mindestens zweier verkippter Beleuchtungsebenen zum Beleuchten eines stationären Probenvolumens. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beleuchten eines Probenvolumens, insbesondere in einem optischen System mit einer zeitlichen Abfolge verkippter Beleuchtungsebenen in einem stationären Probenvolumen.
Optische Systeme, welche eine Probe mittels einer bevorzugt zweidimensionalen Lichtverteilung, d.h. einem Lichtblatt, beleuchten, haben den Vorteil, dass eine hohe Auflösung durch die lokal begrenzte Beleuchtung, als auch eine geringe Belastung, zum Beispiel durch Ausbleichen, erreicht werden kann. Zum Abtasten einer dreidimensionalen Probe ist es jedoch notwendig, lokal unterschiedliche Bereiche der Probe zu beleuchten.
Im Stand der Technik wird hierzu beispielsweise die Probe bewegt, im Transmissionspfad des Beleuchtungslichts ein Kippspiegel angeordnet, welcher durch eine Verkippung die Lage des Lichtblattes in der Probe ändert, oder ein Objektiv verschoben.
Nachteilig bei den Lösungen aus dem Stand der Technik ist, dass über das Probenvolumen eine inhomogene Beleuchtung auftreten kann.
Das eingangs erwähnte erfindungsgemäße optische System löst diese Aufgabe dadurch, dass die mindestens zwei verkippten Beleuchtungsebenen beabstandet voneinander und parallel zueinander angeordnet sind.
Das eingangs erwähnte erfindungsgemäße Verfahren löst diese Aufgabe dadurch, dass eine Scanvorrichtung die zeitlich aufeinanderfolgenden Beleuchtungsebenen parallel zueinander versetzt.
Das erfindungsgemäße optische System und das erfindungsgemäße Verfahren haben somit den Vorteil, dass im Falle einer diskreten Abtastung der Probe mit unterschiedlichen Beleuchtungsebenen die Schrittweite in der gesamten Probe identisch ist und im Falle einer kontinuierlichen Abtastung, d.h. einem Überstreichen der Probe mit der Beleuchtungsebene, die im Probenvolumen eingebrachte Lichtenergie über die Probe konstant ist.
Das erfindungsgemäße optische System und das erfindungsgemäße Verfahren können durch weitere, jeweils für sich vorteilhafte Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Technische Merkmale der einzelnen Ausgestaltungen können dabei beliebig mit einander kombiniert und/oder weggelassen werden, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt.
Das erfindungsgemäße optische System kann ein Mikroskop und insbesondere ein 3D-Abtast-, OPM-, oder SCAPE-Mikroskop sein. Ferner kann das optische System auch ein endoskopisches System sein.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann entsprechend das Probenvolumen eines Mikroskops, und insbesondere eines endoskopischen Systems, eines 3D-Abtast-, OPM-, oder SCAPE-Mikroskops beleuchtet werden.
Die Beleuchtungsvorrichtung kann insbesondere eine Lichtquelle umfassen, welche das Beleuchtungslicht erzeugt. Das Beleuchtungslicht kann monochromatisch oder kontinuierlich, d.h. ein Wellenlängenspektrum umfassend sein.
Die Aufrichtungsoptik ist als eine Optik zu verstehen, welche ein Abbild der verkippten Beleuchtungsebene plan in einer Detektorebene abbildet. In der Detektorebene befindet sich bevorzugt ein Flächensensor.
Das stationäre Probenvolumen wird somit mit mindestens zwei Beleuchtungsebenen, bevorzugt mit einer Vielzahl von Beleuchtungsebenen in einer zeitlichen Abfolge beleuchtet, die parallel zueinander angeordnet sind. Somit können äquidistante Schnitte (im Sinne der jeweils durch die entsprechenden Beleuchtungsebenen beleuchteten zweidimensionalen Bereiche der Probe) der Probe erfolgen, wobei diese Schnitte detektiert und bevorzugt zu einem dreidimensionalen Abbild zusammengesetzt werden können.
Insbesondere kann die Scanvorrichtung keine Spiegel aufweisen. Das optische System umfasst folglich bevorzugt lediglich transmittive optische Elemente und kann weiter bevorzugt einen linearen optischen Aufbau aufweisen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Miniaturisierung des optischen Systems angestrebt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems ist die Scanvorrichtung als brennweitenveränderliche Beleuchtungs- und Detektionsoptik für die Transmission des Beleuchtungslichts zum Probenvolumen und für die Transmission von Streu- und/oder Fluoreszenzlicht aus dem Probenvolumen in die Aufrichtungsoptik ausgestaltet.
Insbesondere kann das von der Beleuchtungsvorrichtung erzeugte Beleuchtungslicht nichtkollinear in die brennweitenveränderliche Beleuchtungs- und Detektionsoptik eingespeist werden, sodass dieses in der Beleuchtungs- und Detektionsoptik ebenso nichtkollinear verläuft.
Das aus der Beleuchtungs- und Detektionsoptik austretende Beleuchtungslicht kann ferner die verkippte Beleuchtungsebene im Probenvolumen ausbilden und, sofern vorhanden, eine Ebene der Probe beleuchten. Der Querschnitt der Probe wird erhalten, wenn die Probe zumindest semitransparent ist oder Streuzentren enthält. Handelt es sich um eine lichtundurchlässige Probe, so wird lediglich eine Umfangskontur der Probe beleuchtet.
Im Probenvolumen, insbesondere in der Probe, wird Streu- und/oder Fluoreszenzlicht gestreut oder erzeugt, welches jeweils in einen Halbraum abgestrahlt werden kann. Das in einen der beiden Halbräume abgestrahlte Streu- und/oder Fluoreszenzlicht wird von der Beleuchtungs- und Detektionsoptik aufgesammelt und entlang eines nichtkollinearen Pfades vom Probenvolumen zur Aufrichtungsoptik transmittiert. Dabei unterscheiden sich die Pfade des Beleuchtungslichts und des Streu- und oder Fluoreszenzlichts bevorzugt voneinander.
Die Beleuchtungs- und Detektionsoptik kann somit einen Fokus des Beleuchtungslichts auf einer Beleuchtungsseite in Form der verkippten Beleuchtungsebene in das auf der Probenseite angeordnete Probenvolumen abbilden und zeitgleich das aus der Beleuchtungsebene in einen Halbraum abgestrahlte Streu- und oder Fluoreszenzlicht, welches einen Querschnitt einer Probe repräsentiert vom Probenvolumen auf der Probenseite zur Beleuchtungsseite abbilden. Das abgebildete Zwischenbild kann ferner bevorzugt von der Aufrichtungsoptik auf einen Sensor abgebildet werden.
Das der Vorrichtung entsprechende erfindungsgemäße Verfahren kann somit die folgenden Schritte umfassen: Einspeisen von Beleuchtungslicht einer Beleuchtungsvorrichtung in eine als Beleuchtungs- und Detektionsoptik ausgestaltete Scanvorrichtung und Transmittieren des Beleuchtungslichts entlang eines nichtparaxialen Beleuchtungspfades; Transmittieren des Beleuchtungslichts durch eine brennweitenveränderliche Scanvorrichtung und Variieren der Konvergenz bzw. Divergenz des Beleuchtungslichts durch die brennweitenveränderliche Scanvorrichtung; Beleuchten des Probenvolumens mit der verkippten Beleuchtungsebene, wobei das Variieren der Konvergenz bzw. Divergenz des Beleuchtungslichts durch die brennweitenveränderliche Scanvorrichtung ein paralleles Verschieben der verkippten Beleuchtungsebene entlang einer optischen Achse der Scanvorrichtung bewirkt; Aufsammeln von Streu- und/oder Fluoreszenzlicht aus dem Probenvolumen durch die Scanvorrichtung und Transmittieren des Streu- und/oder Fluoreszenzlichts entlang eines nichtparaxialen Detektionspfades durch die brennweitenveränderliche Scanvorrichtung; und Aufrichten des Streu- und/oder Fluoreszenzlichts durch eine Aufrichtungsoptik.
Im obigen erfindungsgemäßen Verfahren kann die Scanvorrichtung als brennweitenveränderliche Beleuchtungs- und Detektionsoptik ausgestaltet sein.
Insbesondere kann in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems die Beleuchtungs- und Detektionsoptik ein brennweitenveränderliches optisches Element umfassen. Dies hat den Vorteil, dass in einigen Ausgestaltungen auf eine mechanische Variation einer optischen Anordnung (wie zum Beispiel in einer Zoomoptik) verzichtet werden kann.
Das brennweitenveränderliche optische Element kann in einer weiteren Ausgestaltung insbesondere als elektrische oder elektronisch durchstimmbare Linse ausgestaltet sein. Eine solche elektronisch durchstimmbare Linse, im Folgenden mit ETL bezeichnet (Englisch: electrically tunable lens) erlaubt es, auf elektronischem Wege die Brennweite der Beleuchtungs- und Detektionsoptik zu variieren, ohne auf eine mechanische Variation einzelner Komponenten zurückzugreifen.
Eine ETL kann insbesondere aufgrund ihrer kleinen Abmessungen vorteilhafterweise in der Beleuchtungs- und Detektionsoptik angeordnet werden. Eine ETL kann beispielsweise durch eine Flüssigkeit, die durch eine durchsichtige (d.h. für das Beleuchtungslicht transmittive) Membran eingeschlossen ist, realisiert sein. Aus einem Reservoir kann bei einer solchen ETL die Flüssigkeit in den von der Membran eingeschlossen Bereich hin- und hergepumpt werden, um somit die Brennweite der ETL zu ändern. Eine weitere mögliche ETL kann auf dem Prinzip des Electrowetting oder des Induzierens einer stehenden Schallwelle in einem zylinderförmigen Flüssigkeitsreservoir beruhen. Ebenso sind brennweitenveränderliche Alvarez-Lohmann-Linsen oder diffraktive durchstimmbare Linsen denkbar.
Im Hinblick auf die Trägheit der zu bewegenden Elemente, eine Empfindlichkeit der Probe gegen bei der Bewegung auftretende Erschütterungen bzw. eine Komplexität des notwendigen Strahlenganges verbessert diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die Lösungen aus dem Stand der Technik dahingehend, dass das erfindungsgemäße optische System weniger komplex ausgestaltet ist, eine Bewegung der Probe nicht notwendig ist und eine homogene Probenbeleuchtung gewährleistet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems kann das brennweitenveränderliche optische Element in einer Pupille der Beleuchtungs- und Detektionsoptik angeordnet sein. Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass das brennweitenveränderliche optische Element zwar die Brennweite der Beleuchtungs- und Detektionsoptik ändert, der Abbildungsmaßstab allerdings beibehalten wird.
Insbesondere kann die Beleuchtungs- und Detektionsoptik einen sogenannten 4f-Aufbau umfassen, wobei ein Fokus des von der Beleuchtungsvorrichtung fokussierten Beleuchtungslichts in einer beleuchtungsseitigen Brennweite angeordnet ist, die Pupille von der Position dieses Fokus die zweifache Brennweite in Richtung des Probenvolumens entfernt ist und die Beleuchtungsebene in der probenseitigen Brennweite ausgebildet wird. Eine Länge zwischen beleuchtungsseitigem Fokus der Beleuchtungsvorrichtung und der ausgebildeten Beleuchtungsebene beträgt somit die vierfache Brennweite. Die Pupille ist in einer solchen Ausgestaltung zentral zwischen dem beleuchtungsseitigen Fokus und der Beleuchtungsebene ausgebildet und in dieser Position kann das brennweitenveränderliche optische Element angeordnet sein.
In einigen Ausgestaltungen ist es möglich, dass die Pupille nicht zugänglich ist und folglich ein Teleskop in der Beleuchtungs- und Detektionsoptik vorgesehen sein kann, welches eine Pupille einer Teiloptik der Beleuchtungs- und Detektionsoptik abbildet, bei der das brennweitenveränderliche optische Element in der Position der Abbildung der Pupille angeordnet ist. Mit anderen Worten besteht in dieser Ausgestaltung des optischen Systems die Beleuchtungs- und Detektionsoptik aus mindestens zwei Teiloptiken, beispielsweise Objektiven, wobei die Pupille einer jeweiligen Teiloptik in einem Gehäuse liegen kann. Somit ist die Lage der Pupille nicht zugänglich.
In dieser Ausgestaltung kann somit ein weiterer 4f-Aufbau in Form des Teleskops zwischen den Teiloptiken angeordnet sein, sodass eine Abbildung jeder der Pupillen der Teiloptik in einem zentralen Fokusbereich erfolgt. Dieser kann ferner frei zugänglich sein und die Positionierung eines brennweitenveränderliche optischen Elements erlauben.
In das erfindungsgemäße optische System kann eine beliebige Anzahl solcher (telezentrischer) 4f-Aufbauten eingebracht werden, sodass das optische System auch mit aus dem Stand der Technik bekannten Kombinationen aus Objektiv und Tubuslinse verwendbar ist, wenn der zusätzliche 4f-Aufbau zwischen den Tubuslinsen eingefügt wird, in dessen gemeinsamer Brennebene die durchstimmbare Linse positioniert ist.
Ferner kann das erfindungsgemäße optische System dadurch verbessert werden, dass ein weiteres brennweitenveränderliches optisches Element vorgesehen ist, mittels welchem eine Vergrößerung des optischen Systems änderbar ist. Dieser Effekt wird erzielt, wenn das weitere brennweitenveränderliche optische Element an einer Position vorgesehen wird, die nicht der Pupille entspricht. Bei einer solchen Anordnung wird der Abbildungsmaßstab der Beleuchtungs- und Detektionsoptik variiert.
Mit dieser Ausgestaltung ist es somit möglich, mittels einer rein elektrischen Steuerung sowohl die Probe zu scannen, als auch eine Vergrößerung des gescannten Bereichs zu variieren.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems können die Beleuchtungsvorrichtung und die Aufrichtungoptik miteinander drehbar um eine optische Achse der Beleuchtungs- und Detektionsoptik ausgestaltet sein. Im entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ferner das gemeinsame Rotieren einer Beleuchtungsvorrichtung und einer Aufrichtungsvorrichtung um eine optische Achse der Scanvorrichtung zur Beleuchtung des Probenvolumens aus unterschiedlichen Richtungen umfasst sein.
In den Lösungen des Standes der Technik erfolgt die Beleuchtung mittels der verkippten Beleuchtungsebene zumeist statisch aus bevorzugt einer Richtung. Dies kann bei einer lichtundurchlässigen Probe bzw. einer Probe, die lichtundurchlässige Bereiche aufweist, zu einem Schattenwurf führen, der keine Abbildung der Probe mit hinreichender Qualität erlaubt bzw. dazu führt, dass im Schatten liegende Strukturen nicht detektiert werden können.
Rein exemplarisch wird nun die Beleuchtung einer Probe mittels einer verkippten Beleuchtungsebene betrachtet, die entlang einer ersten Beleuchtungsrichtung beleuchtet wird. Es wird angenommen, dass sich die optische Achse der Beleuchtungs- und Detektionsoptik entlang einer z-Achse erstreckt und die erste Beleuchtungsrichtung rein beispielhaft im Winkel von 45° zur optischen Achse angeordnet ist. Werden nunmehr die Beleuchtungsvorrichtung und die Aufrichtungsoptik miteinander um die optische Achse gedreht, so beschreibt die Beleuchtungsrichtung eine Art Taumelbewegung um die optische Achse herum. Werden die Beleuchtungsvorrichtung und die Aufrichtungsoptik miteinander um exakt 180° um die optische Achse herum gedreht, so wird eine zweite Beleuchtungsrichtung erhalten, die senkrecht auf der ersten Beleuchtungsrichtung steht. Befindet sich eine lichtundurchlässige Struktur am Schnittpunkt zwischen der ersten Beleuchtungsrichtung und der optischen Achse, kann durch die Rotation der Beleuchtungsebene um die optische Achse der Einfluss des Schattens zumindest minimiert werden, da auch ein möglicher Kernschatten der lichtundurchlässigen Struktur minimiert wird.
Mit dem erfindungsgemäßen optische System bzw. Verfahren können bevorzugt Volumen-Daten eines Objekts, das heißt einer Probe aufgenommen werden. Das Scannen der Probe mittels der parallel zueinander angeordneten verkippten Beleuchtungsebenen kann als ,remote focusing' bezeichnet werden. Dies bedeutet, dass weder das Objekt selbst, noch die dem Objekt zugewandte Beleuchtungs- und Detektionsoptik bewegt werden.
In aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten von SCAPE-Mikroskopen besteht ein Nachteil darin, dass der Strahlengang abgewinkelt werden muss, wobei typischerweise an der Stelle eines Scanspiegel der Strahlengang um 90° abgeknickt wird. Eine solche Anordnung hat weiterhin den Nachteil, dass der Scanspiegel zwingend außerhalb eines bestehenden Gehäuses zum Beispiel eines Objektivs liegen muss. Des Weiteren kann diese enge Begrenzung des Scanbereichs zu Abdunkelungen in Randbereichen des Bildes führen und der Scanspiegel, der im Allgemeinen eine (resonante) Schwingung ausführt, muss immer wieder beschleunigt und abgebremst werden. Zwar ist eine lineare Bewegung eines Scanspiegels durch eine sägezahnförmige Ansteuerung möglich, dies hat allerdings einen hohen Stromverbrauch und eine mögliche Erwärmung zur Folge.
Im Allgemeinen bewegt die vorliegende Erfindung die Bildebene gegenüber dem Objekt. Dabei ist die Bildebene diejenige Ebene, die beleuchtet wird und von der ausgehendes Streu- und/oder Fluoreszenzlicht auf einen bevorzugt festen Flächensensor abgebildet wird.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere im Zuge einer möglichen Miniaturisierung eines optischen Systems, insbesondere eines 3D-Abtast-, OPM- oder SCAPE-Mikroskops vorteilhaft, da auf eine Umlenkung des Strahlenganges, wie sie bei bekannten Scanspiegeln notwendig ist, verzichtet werden kann. Das erfindungsgemäße optische System kann somit linear, beispielsweise an einem Endoskop ausgestaltet sein, wobei bevorzugt Lichtwellenleiter, insbesondere optische Fasern verwendet werden können, um das Beleuchtungslicht zum Probenvolumen zu transmittieren bzw. das auf gesammelte Streu- und/oder Fluoreszenzlicht von der Beleuchtungsebene zur Aufrichtungsoptik zu transmittieren.
Das erfindungsgemäße optische System, sowie das erfindungsgemäße Verfahren können durch eine maximale Verschiebung der Beleuchtungsebene entlang der optischen Achse gekennzeichnet sein. Diese maximale Verschiebung ist auf eine maximal mögliche Brechkraftänderung der ETL zurückzuführen. In einigen Ausgestaltungen ändert sich die Brechkraft um den Wert 0 herum zu positiven und negativen Werten. Ebenso ist es denkbar, dass sich die Brechkraftänderung lediglich im Bereich positiver oder negativer Werte bewegt. In solchen Fällen ist eine Kompensationsoptik anwendbar, mit welcher dieser Brechkraftoffset auf den Wert 0 gesetzt werden kann, sodass erneut eine Brechkraftänderung um den Wert 0 herum möglich ist.
In einigen Ausgestaltungen kann die maximal mögliche Brechkraftänderung der ETL 10 Dioptrien betragen, insbesondere von -5 Dioptrien bis +5 Dioptrien. Im Allgemeinen beträgt die Brechkraft D: Dmin ≤ D ≤ Dmax, wobei sowohl Dmin, als auch Dmax einen beliebigen Wert zwischen -10 Dioptrien und +10 Dioptrien annehmen kann, sofern Dmin < Dmax erfüllt ist.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand beispielhafter Ausgestaltungen anhand beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen jeweils für sich vorteilhafte spezifische Ausgestaltungen der Erfindung, wobei technische Merkmale der Ausgestaltungen beliebig miteinander kombinierbar sind und weggelassen werden können, sofern es nicht auf den mit dem weggelassenen technischen Merkmal erzielten technischen Effekt ankommt. Gleiche technische Merkmale und Merkmale mit gleicher technischer Wirkung werden der Übersichtlichkeit halber mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines optischen Systems am Beispiel eines SCAPE-Mikroskops aus dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen optischen Systems;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems;
4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems; und
5a-5c eine schematische Darstellung des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen optischen Systems und Verfahrens.

In 1 ist ein optisches System 1 aus dem Stand der Technik gezeigt. Das optische System 1 ist rein beispielhaft insbesondere ein als SCAPE-Mikroskop 5 ausgestaltetes 3D-Abtast-Mikroskop 3.
Das gezeigte SCAPE-Mikroskop umfasst eine Beleuchtungsvorrichtung 7, die rein beispielhaft zwei Linsen 9 und eine schematisch als Rechteck dargestellte Lichtquelle 11 umfasst.
Die Lichtquelle 11 emittiert Beleuchtungslicht 13 welches in einem Beleuchtungsfokus 15 fokussiert wird.
Das SCAPE-Mikroskop 5 umfasst ferner eine Aufrichtungsoptik 17, die ebenfalls rein beispielhaft zwei Linsen 9 umfasst.
Ferner umfasst das SCAPE-Mikroskop 5 eine Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19, welche ebenfalls rein beispielhaft mehrere Linsen umfasst, die der Übersichtlichkeit halber nicht mit Bezugszeichen versehen sind. Ferner sei erwähnt, dass unter der Bezeichnung „Optik“ sowohl ein einzelnes optisches Element, als auch eine Anordnung einer beliebigen Anzahl optischer Elemente zu verstehen ist. Die optischen Elemente können dabei neben Linsen 9 auch optische Filter (nicht gezeigt) oder refraktive bzw. diffraktive optische Elemente sein.
Die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 weist einen nichtparaxialen Beleuchtungspfad 21 auf, der durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist und beabstandet von einer optischen Achse 23 der Beleuchtung, und Detektionsoptik 19 verläuft.
Die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 fokussiert das Beleuchtungslicht 13 auf einer Probenseite 25 in Form eines Lichtblattes 27, welches eine Beleuchtungsebene 29 darstellt, die bezüglich der optischen Achse 23 bzw. bezüglich einer probenseitigen Brennebene 31 verkippt ist.
Die Beleuchtungsebene 29 ist in einem rein schematisch gezeigten stationären Probenvolumen 33 ausgebildet, in der sich eine Probe 35 befinden kann. Die Probe 35 kann insbesondere empfindlich gegenüber Erschütterungen sein, sodass zu ihrer Untersuchung eine Bewegung derselben ausgeschlossen ist.
Von der Probe wird Streu- und/oder Fluoreszenzlicht 37 abgestrahlt, d.h. gestreut bzw. in einem in der Probe 35 auftretenden Fluoreszenz-Prozess generiert.
Das Streu- und/oder Fluoreszenzlicht 37 wird von der Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 aufgesammelt und entlang eines Detektionspfades 39, ebenso nichtparaxial von der Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 von der Probenseite zu einer Beleuchtungsseite 41 transmittiert, auf welcher sich beispielsweise der Beleuchtungsfokus 15 befindet.
Ein Prinzip des SCAPE-Mikroskops 5 besteht darin, dass sowohl das Beleuchtungslicht 21, als auch das Streu- und/oder Fluoreszenzlicht 37 durch ein und dieselbe Optik transmittiert werden. Dies hat zur Folge, dass der Beleuchtung Fokus 15 zumindest abschnittsweise mit einem Abbildungsfokus 43 zusammenfällt. Dies ist beispielhaft an einem reellen Zwischenbild 45 der Beleuchtungsebene 29 gezeigt.
Dieses reelle Zwischenbild 45 wird von der Aufrichtungsoptik 17 plan auf einen Sensor 47 abgebildet, d.h. das reelle Zwischenbild 45 wird aufgerichtet.
Die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 umfasst ferner eine Scanvorrichtung 49, die in der gezeigten Ausgestaltung des SCAPE-Mikroskops 5 aus dem Stand der Technik als Kippspiegel 51 (auch Galvanometerspiegel 51 genannt) ausgestaltet ist.
Der Kippspiegel 51 ist entlang einer Kipprichtung 53 um eine Kippachse 55 drehbar, wobei eine solche Drehung zu einer Variation der Lage der ausgebildeten Beleuchtungsebenen 29 führt. Dies ist rein beispielhaft und übertrieben gezeichnet durch eine zweite 29a und dritte Beleuchtungsebene 29b in 1 dargestellt. Die ausgebildeten Beleuchtungsebenen 29 werden folglich in einer Bewegung über das Probenvolumen 33 bewegt, welche der Bewegung eines Scheibenwischers ähnelt. Unterschiedliche Beleuchtungsebenen 29 sind somit entlang ihrer jeweiligen Beleuchtungsrichtung 57 (eingezeichnet ist die Beleuchtungsrichtung 57 für die Beleuchtungsebene 29) unterschiedlich weit voneinander entfernt.
In der 2 ist eine erste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems 1 in Form eines OPM-Mikroskops 59 gezeigt.
Auch das OPM- Mikroskop 51 weist die Beleuchtungsrichtung 7 (hier als Objektiv 61 angedeutet), die Aufrichtungsoptik 17 mit dem Sensor 47 und die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 auf.
Prinzipielle Unterschiede zum Stand der Technik sind insbesondere in der als Scanvorrichtung 49 ausgestalteten Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 zu erkennen. Diese ist im sogenannten 4f-Aufbau 63 ausgestaltet, wobei sich der Beleuchtungsfokus 15 in einer Brennweite f auf der Beleuchtungsseite 41 befindet, die probenseitigen Brennebene 31 befindet sich ebenfalls in der Brennweite f, allerdings auf der Probenseite 25.
Ferner ist sowohl in der Brennweite f einer ersten Teiloptik 65, als auch in der Brennweite einer zweiten Teiloptik 67 in der Position einer Pupille 69 der Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 ein als elektronisch durchstimmbare Linse 71 ausgestaltetes brennweitenveränderliches optisches Element 73 angeordnet. Auch die Teiloptiken 65, 67 sind als Objektive 61 angedeutet.
Im Gegensatz zur Lösung aus dem Stand der Technik (1) ist die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 des erfindungsgemäßen optischen Systems 1 eine brennweitenveränderliche Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19a.
Ferner ist zu erkennen, dass das erfindungsgemäße optische System 1 entlang einer y-Achse eine deutlich geringere Ausdehnung aufweist als das optische System 1 aus dem Stand der Technik der 1. Da in der erfindungsgemäßen Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 kein Spiegel, insbesondere kein Kippspiegel 51 notwendig ist, kann auch eine Ausdehnung entlang der x-Achse verringert werden.
Ebenso sei an dieser Stelle ein weiterer Nachteil der in 1 gezeigt Lösung aus dem Stand der Technik genannt. Durch die Verkippung um die Kippachse 55 sind nachfolgende Optiken für einen räumlich variierenden Lichteinfall zu optimieren, d.h. es sind sogenannte Scanlinsen 74 notwendig.
Die in 2 gezeigte elektronisch durchstimmbare Linse 71, im Folgenden ETL 71, ist rein beispielhaft in Form einer Bikonvexlinse 75 gezeigt. Die ETL 71 kann allerdings entsprechend ihrer Ansteuerung auch eine Zerstreuungslinse (siehe 5c) sein.
Die 2 zeigt des Weiteren lediglich eine schematische Darstellung, da in einer realen Ausgestaltung auch Ansteuerelemente (nicht gezeigt) zur Variation der Brennweite der ETL 71 notwendig sind.
Die 2 zeigt ferner schematisch eine ETL 71 nach dem electrowetting-Prinzip 77. In dieser wird durch das Anlegen einer Spannung V ein Kontaktwinkel 79 einer auf einem transparenten Substrat 81 bereitgestellten Flüssigkeit 83 variiert.
Ferner ist eine ETL 71 gezeigt, die in einem Volumen 85 Flüssigkeit 83 aufnimmt, wobei das Volumen 85 durch eine Pumpe 87, ein Reservoir 89 und eine flexible Membran 91 (lediglich zur Unterscheidung gestrichelt dargestellt) veränderbar ist und unterschiedliche Brennweiten f ermöglicht.
Sowohl die ETL 71 nach dem electrowetting-Prinzip 77, als auch die ETL 71 umfassend die flexible Membran 91 können im erfindungsgemäßen optische System 1 eingesetzt werden. Weitere Ausgestaltungen der ETL 71 sind darüber hinaus auch möglich. Zu beachten ist, dass die ETL 71 nach dem electrowetting-Prinzip 77 eine horizontale Orientierung des transparenten Substrates 81 erfordert, da sonst die Schwerkraft die Flüssigkeit 83 asymmetrisch verformen kann.
Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems 1, welches auch als OPM- Mikroskop 59 ausgestaltet ist.
In dieser Ausgestaltung sind keine Teiloptiken 65, 67 vorgesehen, sondern ein gemeinsames Gehäuse 93, in welchem die Linsen 9 und die ETL 71 aufgenommen sind. Ein solches gemeinsames Gehäuse 93 hat den Vorteil, dass die Justage der Linsen 9 bzw. weiterer optischer Elemente (nicht gezeigt) der Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 einmalig erfolgt und nach erfolgter Justage die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 lediglich als Einheit justiert werden muss und einfach austauschbar ist. Ferner erlaubt die Unterbringung in einem gemeinsamen Gehäuse eine weitere Miniaturisierung des optischen Systems 1.
Der weitere Aufbau des optischen Systems 1, umfassend die Aufrichtungoptik 17, die Beleuchtungsvorrichtung 7, sowie den 4f-Aufbau 63 ist identisch zur Ausgestaltung der 2.
Im gezeigten Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Systems 1 der 2 liegt die Pupille 61 außerhalb der Objektive 61 der ersten 65 und zweiten Teiloptik 67.
Liegt die Pupille 69 allerdings innerhalb des Objektivs 61, wie in 4 schematisch dargestellt, so kann es möglich sein, dass die ETL 71 in der Pupille 69 nicht platziert werden kann.
Die in 4 gezeigte dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Systems 1 bzw. OPM- Mikroskops 59 löst dieses Problem dadurch, dass ein Teleskop 95 in der Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 vorgesehen ist.
Das Teleskop 95 ist bezüglich der zwei Pupillen 69 ebenso im 4f-Aufbau 63 ausgestaltet und hat den Vorteil, dass es die Pupillen 69 in einer Abbildungsebene 97 abbildet und an dieser Position die ETL 71 angeordnet werden kann.
Auf diese Weise ist es möglich, eine Ausdehnung des optischen Systems 1, insbesondere der Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 entlang der x-Achse (auch durch weitere Teleskope 95) zu vergrößern, was beispielsweise für die Miniaturisierung vorteilhaft sein kann. Somit wäre denkbar, die Beleuchtungs- und Detektionsoptik 19 mitsamt des Teleskops 95 (bzw. mehrerer Teleskope 95) in einem Endoskop 99 auszugestalten.
Ferner zeigt 4 ein weiteres brennweitenveränderliches optisches Element 73a, mit welchem die Vergrößerung des optischen Systems 1 ein- und verstellbar ist.
In den 5a bis 5c ist die Funktionsweise der ETL 71 und insbesondere der mit dieser erzielte technische Effekt auf die Beleuchtungsebene 29 erläutert.
In den Figuren ist eine Brechkraft 101 der ETL 71 um 0 herum variiert. In 5a beträgt eine erste Brechkraft 101a 0, was in einer ersten Brennweite f_a resultiert, die unendlich ist.
Entsprechend ist in den 5b und 5c eine zweite 101b und dritte Brechkraft 101c gezeigt, die in einer zweiten f_b bzw. dritten Brennweite f_c resultieren.
In allen Fällen liegt die ETL 71 in der Brennweite f der gezeigten Linse 9.
In 5a wird weder der Beleuchtungspfad 21 des Beleuchtungslichts 13, noch der Detektionspfad 39 des Streu- und/oder Fluoreszenzlichts 37 durch die ETL 71 verändert. Die Beleuchtungsebene 29 wird zur probenseitigen Brennebene 31 verkippt in der Brennweite f abgebildet. Das Streu- und/oder Fluoreszenzlicht 37 wird entsprechend aus der gezeigten Beleuchtungsebene 29 aufgesammelt und entlang des Detektionspfades 39 transmittiert.
Wird nunmehr die zweite Brennweite f_b der ETL 71, die größer als 0 ist (f_b > 0), eingestellt (5b), so erzeugt diese einen ersten veränderten Beleuchtungspfad 21b, der sich von einem ursprünglichen Beleuchtungspfad 21a dadurch unterscheidet, dass er eine höhere Konvergenz 103 aufweist.
Der erste veränderte Beleuchtungspfad 21b führt zu einer Verschiebung 105 der Beleuchtungsebene 29 von einer ursprünglichen Beleuchtungsebene 29a zu einer ersten veränderten Beleuchtungsebene 29b entlang der optischen Achse 23. Die Verschiebung 105 ist eine Parallelverschiebung 105a, sodass ein Abstand 107, gemessen entlang der optischen Achse 23, zwischen den Beleuchtungsebenen 29a und 29b über die komplette Beleuchtungsebene 29 konstant ist.
In 5c weist die ETL 71 eine negative dritte Brennweite f_c auf (f_c < 0), so erzeugt diese einen zweiten veränderten Beleuchtungspfad 21c, der sich von dem ursprünglichen Beleuchtungspfad 21a dadurch unterscheidet, dass er eine höhere Divergenz 109 aufweist.
Der zweite veränderte Beleuchtungspfad 21c führt ebenso zu einer Verschiebung 105 der Beleuchtungsebene 29 von der ursprünglichen Beleuchtungsebene 29a zu einer zweiten veränderten Beleuchtungsebene 29c entlang der optischen Achse 23, allerdings in entgegengesetzter Richtung als dies in 5b der Fall ist. Auch bei negativer Brennweite f_c ist die Verschiebung 105 eine Parallelverschiebung 105a, sodass auch der Abstand 107 zwischen den Beleuchtungsebenen 29a und 29c über die komplette Beleuchtungsebene 29 konstant ist.
Durch die schematisch dargestellte Verschiebung 105 der Beleuchtungsebene 29 ist es somit möglich, das Probenvolumen 33 zu scannen. Das Probenvolumen 33 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich in 5a gezeigt und ist abhängig von einer Längserstreckung 111 der Beleuchtungsebene, sowie von einer maximalen Verschiebung (nicht gezeigt), um welche die Beleuchtungsebenen 29 entlang der optischen Achse 23 verschoben werden kann. Diese ist wiederum abhängig von einer maximal möglichen Brechkraftänderung (nicht gezeigt), die beispielsweise +/- 5 Dioptrien betragen kann.
Bezugszeichenliste

1: optisches System
3: 3D-Abtast-Mikroskop
5: SCAPE-Mikroskop
7: Beleuchtungsvorrichtung
9: Linse
11: Lichtquelle
13: Beleuchtungslicht
15: Beleuchtungsfokus
17: Aufrichtungsoptik
19: Beleuchtungs- und Detektionsoptik
21: Beleuchtungspfad
21a: ursprünglicher Beleuchtungspfad
21b: erster veränderter Beleuchtungspfad
21c: zweiter veränderter Beleuchtungspfad
23: optische Achse
25: Probenseite
27: Lichtblatt
29: Beleuchtungsebene
29a: ursprüngliche Beleuchtungsebene
29b: erste veränderte Beleuchtungsebene
29c: zweite veränderte Beleuchtungsebene
31: probenseitige Brennebene
33: Probenvolumen
35: Probe
37: Streu- und/oder Fluoreszenzlicht
39: Detektionspfad
41: Beleuchtungsseite
43: Abbildungsfokus
45: reelles Zwischenbild
47: Sensor
49: Scanvorrichtung
51: Kippspiegel/Galvanometerspiegel
53: Kipprichtung
55: Kippachse
57: Beleuchtungsrichtung
59: OPM-Mikroskop
61: Objektiv
63: 4f-Aufbau
65: erste Teiloptik
67: zweite Teiloptik
69: Pupille
71: elektronisch durchstimmbare Linse
73: brennweitenveränderliches optisches Element
73a: weiteres brennweitenveränderliches optisches Element
74: Scanlinse
75: Bikonvexlinse
77: Elektrowetting-Prinzip
79: Kontaktwinkel
81: transparentes Substrat
83: Flüssigkeit
85: Volumen
87: Pumpe
89: Reservoir
91: flexible Membran
93: gemeinsames Gehäuse
95: Teleskop
97: Abbildungsebene
99: Endoskop
101: Brechkraft
101a: erste Brechkraft
101b: zweite Brechkraft
101c: dritte Brechkraft
103: Konvergenz
105: Verschiebung
105a: Parallelverschiebung
107: Abstand
109: Divergenz
111: Längserstreckung
f: Brennweite
f_a: erste Brennweite
f_b: zweite Brennweite
f_c: dritte Brennweite
V: Spannung
y: y-Achse
x: x-Achse

Claims

Optisches System (1), umfassend eine Beleuchtungsvorrichtung (7) zum Erzeugen von Beleuchtungslicht (13), eine Aufrichtungsoptik (17) und eine Scanvorrichtung (49) zur Erzeugung einer zeitlichen Abfolge mindestens zweier verkippter Beleuchtungsebenen (29) zum Beleuchten eines stationären Probenvolumens (33), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei verkippten Beleuchtungsebenen (29) beabstandet voneinander und parallel zueinander angeordnet sind.
Optisches System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanvorrichtung (49) keine Spiegel (51) aufweist.
Optisches System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanvorrichtung (49) als brennweitenveränderliche Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19a) für die Transmission des Beleuchtungslichts (13) zum Probenvolumen (33) und für die Transmission von Streu- und/oder Fluoreszenzlicht (37) aus dem Probenvolumen (33) in die Aufrichtungsoptik (17) ausgestaltet ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19) ein brennweitenveränderliches optisches Element (73) umfasst.
Optisches System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das brennweitenveränderliche optische Element (73) als elektronisch durchstimmbare Linse (71) ausgestaltet ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das brennweitenveränderliche optische Element (73) in einer Pupille (69) der Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19) angeordnet ist.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teleskop (95) in der Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19) vorgesehen ist, welches eine Pupille (69) einer Teiloptik (65, 67) der Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19) abbildet, wobei das brennweitenveränderliche optische Element (73) in der Position der Abbildung der Pupille (69) angeordnet ist.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres brennweitenveränderliches optisches Element (73a) vorgesehen ist, mittels welchem eine Vergrößerung des optischen Systems (1) änderbar ist.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (7) und die Aufrichtungsoptik (17) miteinander drehbar um eine optische Achse (23) der Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19) ausgestaltet sind.
Verfahren zum Beleuchten eines Probenvolumens (33), insbesondere in einem optischen System (1) mit einer zeitlichen Abfolge verkippter Beleuchtungsebenen (29) in einem stationären Probenvolumen (33), dadurch gekennzeichnet, dass eine Scanvorrichtung (49) die zeitlich aufeinanderfolgenden Beleuchtungsebenen (29) parallel zueinander versetzt.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend das gemeinsame Rotieren einer Beleuchtungsvorrichtung (7) und eine Aufrichtungsvorrichtung (17) um eine optische Achse (23) der Scanvorrichtung (49) zur Beleuchtung des Probenvolumens (33) aus unterschiedlichen Richtungen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, ferner umfassend die Schritte: - Einspeisen von Beleuchtungslicht (13) einer Beleuchtungsvorrichtung (7) in eine als Beleuchtungs- und Detektionsoptik (19) ausgestaltete Scanvorrichtung (49) und Transmittieren des Beleuchtungslichts (13) entlang eines nichtparaxialen Beleuchtungspfades (21); - Transmittieren des Beleuchtungslichts (13) durch eine brennweitenveränderliche Scanvorrichtung (49) und Variieren der Konvergenz (103) bzw. Divergenz (109) des Beleuchtungslichts (13) durch die brennweitenveränderliche Scanvorrichtung (49); - Beleuchten des Probenvolumens (33) mit der verkippten Beleuchtungsebene (29), wobei das Variieren der Konvergenz (103) bzw. Divergenz (109) des Beleuchtungslichts (13) durch die brennweitenveränderliche Scanvorrichtung (49) ein paralleles Verschieben der verkippten Beleuchtungsebene (29) entlang einer optischen Achse (23) der Scanvorrichtung (49) bewirkt; - Aufsammeln von Streu- und/oder Fluoreszenzlicht (37) aus dem Probenvolumen (33) durch die Scanvorrichtung (49) und Transmittieren des Streu- und/oder Fluoreszenzlichts (37) entlang eines nichtparaxialen Detektionspfades (39) durch die brennweitenveränderliche Scanvorrichtung (49); - Aufrichten des Streu- und/oder Fluoreszenzlichts (37) durch eine Aufrichtungsoptik (17).