DE102021129399A1

DE102021129399A1 - Optisches diagnosesystem mit abbildendem volumenholographischem demultiplexer

Info

Publication number: DE102021129399A1
Application number: DE102021129399.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Burkhardt; Martin Steglich; Matthias Zilk; Dennis Lehr
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Ein optisches Diagnosesystem enthält ein einstückiges optisches Element, welches ausgebildet ist, um einen Lichtstrom einer zu untersuchenden Probe zu empfangen. Das optische Element umfasst zumindest eine holographische Struktur, welche einen ersten Teil des Lichtstroms, welcher einen ersten optischen Spektralbereich aufweist, in einen ersten vorbestimmten Raumwinkelbereich ablenkt. Vorzugsweise umfasst das optische Element mehrere holographische Elemente, welche in unterschiedlichen Spektralbereichen wirksam sind und in einem Schichtstapel auf einem Plansubstrat angeordnet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele betreffen ein optisches Diagnosesystem und ein optisches Element im Diagnostikbereich, insbesondere ein optisches Element zur Trennung optischer Kanäle und zur Strahlabbildung eines Lichtstroms ausgehend von einer zu untersuchenden Probe.
HINTERGRUND
In optischen Diagnostiksystemen wird ein von einer Probe ausgesendeter Lichtstrom analysiert. Beispielsweise besteht bei der Durchflusszytometrie das Ziel, einzelne biologische Zellen in einem Zell-Strom zu identifizieren und zu differenzieren. Hierzu werden beispielsweise im Rahmen optischer Identifikationsverfahren einzelnen Zellen des Zell-Stromes mit einem oder mehreren Anregungslasern beleuchtet. Das von den Zellen gestreute Anregungslicht sowie die von den Zellen emittierte Fluoreszenzstrahlung muss anschließend gesammelt und zur Detektion in einzelne Spektralkanäle separiert werden. Typischerweise wird das gestreute und emittierte Licht von einem Objektiv eingesammelt und kollimiert und anschließend über eine Anordnung mehrerer Interferenzfilter in mehrere räumlich voneinander getrennte Spektralkanäle zerlegt, welche von diskreten Detektoren erfasst werden.
Derartige Kombinationen aus Objektiv und einer Abfolge verschiedenartiger diskreter Interferenzfilter in diagnostischen optischen Systemen beanspruchen viel Platz und limitieren die minimal erreichbare Gerätegröße. Weiter stellen die Anzahl und die Komplexität der Anordnung der Einzelelemente, insbesondere die Interferenzfilter, einen signifikanten Kostenfaktor dar.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein kompaktes optisches Element bereitzustellen, welches zur Untersuchung eines Lichtstroms einer Probe ausgebildet ist und die obengenannten Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
Ein optisches Diagnosesystem ist zur Untersuchung des Lichtstroms einer Probe ausgebildet, und umfasst dazu mindestens ein optisches Element mit einer holographischen Struktur gemäß einem oder mehreren Beispielen der vorliegenden Offenbarung. Das optische Element kann zur Analyse eines Lichtstroms, insbesondere eines basierend auf Fluoreszenz einer Probe erzeugten Lichtstroms, ausgebildet sein.
Das optische Diagnosesystem umfasst eine zu untersuchende Probe, welche derart angeordnet ist, dass sie einen Lichtstrom entlang eines Strahlengangs im optischen System zu dem optischen Element aussendet. Das optische Element ist ausgebildet zur Trennung von optischen Kanälen. In dem optischen System ist weiter mindestens ein optischer Detektor enthalten, welcher einen Teil des Lichtstroms, welcher einem einzelnen optischen Kanal entspricht und welcher in einen vorbestimmten Raumwinkelbereich abgelenkt wurde, für eine Analyse detektiert. Weiter kann in dem optischen System optional eine Lichtquelle enthalten sein, welche ausgebildet ist, einen Lichtstrom auf die Probe auszusenden, wodurch die Probe optisch angeregt wird und ein Lichtstrom von der Probe zu dem optischen Element ausgesendet wird. Die eingesetzte Lichtquelle kann in einigen Ausführungsbeispielen einen Laser oder eine bzw. mehrere LEDs umfassen, welche Licht im blauen und/oder ultravioletten Spektrum, beispielsweise im Bereich < 500 nm, emittieren können und somit unter anderem geeignet sein können, Fluoreszenz in der Probe anzuregen. Vorteilhafterweise kann die Lichtquelle eine Lichtleistung > 1 mW emittieren, um den Detektionslichtstrom zu maximieren, wobei sie gleichzeitig lichtschwach genug sein sollte, um Schädigungen der zu analysierenden Zellen zu vermeiden. Zugleich kann die Lichtquelle vorteilhaft eine Etendue < 50 mm² aufweisen, um das emittierte Licht effizient auf ein kleines Probenvolumen abbilden zu können. Letzteres ermöglicht zudem vorteilhaft eine präzise spektrale Zerlegung und Abbildung des nachzuweisenden Lichtstroms auf dem Detektor.
Das optische Element ist ausgebildet, um einen Lichtstrom von der zu untersuchenden Probe zu empfangen. Beispielsweise kann eine zu untersuchende Probe optisch angeregt werden, sodass sie einen charakteristischen zu analysierenden Lichtstrom aussendet. Der Lichtstrom kann ganz oder zumindest teilweise auf Fluoreszenz basieren. Bei dem Lichtstrom kann es sich um elektromagnetische Strahlung mit einem breiten optischen Spektrum handeln, beispielsweise Licht im UV-, und/oder sichtbaren, und/oder infraroten Bereich. Weiterhin kann der Lichtstrom mehrere schmalere, unabhängige und/oder separat voneinander zu analysierende optische (Teil-)Spektralbereiche umfassen.
Beispielsweise kann das optische Element in einem vordefinierten Abstand zu der Probe angeordnet sein, sodass einen Teil des Lichts unmittelbar auf eine vordere Oberfläche des optischen Elements fallen kann. In diesem Zusammenhang kann eine vordere Oberfläche des optischen Elements, mit Bezug zu einem Strahlengang von der Probe zu dem optischen Element und/oder durch das optische Element hindurch, eine Oberfläche des optischen Elements bezeichnen, auf welche das Licht entlang dem Strahlengang zuerst auftrifft. Weiter kann eine hintere Oberfläche des optischen Elements eine Oberfläche des optischen Elements bezeichnen, welche der vorderen Oberfläche gegenüberliegt, d.h. auf welche zumindest ein Teil des Lichtstroms entlang dem Strahlengang nach der vorderen Oberfläche auftrifft und/oder durch welche zumindest ein Teil des Lichtstroms das optische Element entlang dem Strahlengang verlässt, und/oder an welcher ein Teil des Lichtstroms möglicherweise reflektiert wird.
Das optische Element umfasst weiter zumindest eine holographische Struktur, welche ausgebildet ist, um einen ersten Teil des Lichtstroms von der Probe, welcher einem ersten optischen Spektralbereich des Lichtstroms entspricht, in anderen Worten dessen Wellenlängen bzw. Frequenzen vollständig und/oder ausschließlich in einem ersten optischen Spektralbereich liegen, welcher ein Teilbereich des Spektralbereich des gesamten Lichtstroms von der Probe ist, in einen ersten vorbestimmten Raumwinkelbereich abzulenken. Ein Raumwinkelbereich, in welchen ein Teil des Lichtstroms abgelenkt wird, kann sich von der Hauptstahlrichtung des Lichtstroms, welche entlang der Verbindung von der Probe zum optischen Element verlaufen kann, unterscheiden, beispielsweise um mehr als 5°, 10°, 40° oder 60°. Die holographische Struktur kann auf der vorderen oder auf der hinteren Oberfläche des optischen Elements angeordnet sein.
Beispielsweise kann sich die holographische Struktur in Form einer Schicht über zumindest einen Teil der vorderen oder hinteren Oberfläche erstrecken. Die holographische Struktur kann auf einem Trägermaterial, oder Substrat, insbesondere einem Plansubstrat aufgebracht sein. In einigen Beispielen kann eine holographische Struktur, oder können mehrere holographische Strukturen, auf einem Plansubstraten oder mehrerer Plansubstraten als Hologrammträger aufgebracht sein. In anderen Worten, die holographische Struktur kann zumindest teilweise auf Vorder- oder Rückseite einer Trägerstruktur oder eines für den Lichtstrom transparenten Trägersubstrats aufgebracht sein. Die holographische Struktur kann sich zumindest entlang eines Teils des Substrats erstrecken, beispielsweise in Form eines Laminats oder einer Beschichtung, besonders vorzugsweise in einer Schicht innerhalb einer mehrlagigen Beschichtung.
Beispielsweise kann die holographische Struktur auch innerhalb eines zusammengesetzten Trägers eingebettet sein. In anderen Worten, eine oder mehrere holographische Strukturen können (z.B. unmittelbar angrenzend) zwischen zwei Trägermaterialien/Trägerschichten angeordnet sein, zum Beispiel zwischen diese einlaminiert / miteinander verbunden sein. Ein Trägermaterial kann ein für den Spektralbereich des Lichtstroms ein transparentes Material sein, welches stabile mechanische Eigenschaften aufweist und daher einen verbesserten Schichtaufbau ermöglichen kann. Eine holographische Struktur kann somit auf einer inneren Grenzfläche des optischen Elements aufgebracht sein. Dies kann beispielsweise die Langzeitstabilität bestimmter polymerbasierter indexmodulierbarer Materialien positiv beeinflussen, es kann aber auch einen optischen Freiheitsgrad und damit einer effizienteren Trennung mehrerer optischer Kanäle ermöglichen.
Das optische Element kann zumindest eine gekrümmte externe Oberfläche aufweisen, durch welche ein Teil des Lichtstroms, welcher durch die Oberfläche verläuft, basierend auf Lichtbrechung abgelenkt wird. Das optische Element kann eine vordere konvexe, konkave, oder Freiform- Oberfläche umfassen. Beispielsweise kann die vordere Oberfläche in einem Abstand zur Probe und mit einer Abmessung angeordnet werden, so dass eine vorgegebene numerische Apertur erreicht wird. Beispielsweise kann eine konkave oder konkav gekrümmte vordere Oberfläche beitragen, um die numerische Apertur zu erreichen. Das optische Element kann weiter eine hintere konvexe, konkave, oder Freiform- Oberfläche umfassen. Beispielsweise kann dadurch eine optisch abbildende Funktion der holographischen Struktur unterstützt werden, indem das optische Element durch Lichtbrechung eine kollimierende optische Wirkung auf den Lichtstrom und/oder einzelne Teile des Lichtstroms ausübt. So kann ein Anteil des abgelenkten Teils des Lichtstroms, der in den Detektor fällt, vergrößert werden.
Das optische Element kann, entsprechend der ersten holographischen Struktur, eine zweite holographische Struktur umfassen, wobei die zweite holographische Struktur, einen zweiten Teil des Lichtstroms, welcher einem zu dem ersten Spektralbereich unterschiedlichen zweiten Spektralbereich des Lichtroms entspricht, in einen zu dem ersten Raumwinkelbereich unterschiedlichen zweiten Raumwinkelbereich ablenkt.
Entsprechend kann das optische Element eine Vielzahl von holographischen Strukturen umfassen, beispielsweise mehr als fünf, oder mehr als zehn, oder mehr als zwanzig oder mehr als fünfzig holographische Strukturen, welche entlang des Strahlengangs zumindest teilweise übereinander angeordnet sei können. Die Vielzahl von holographischen Strukturen kann in Form von einer Vielzahl von übereinander liegenden Schichten, mit Bezug zu dem Strahlengang hinter- oder nacheinander angeordnet sein. Ein Teil der Schichten kann auf einer Vorderseite und ein Teil auf einer Rückseite eines transparenten Trägersubstrats angeordnet sein. Beispielsweise ist auch denkbar, dass mehrere Trägersubstrate zu einem Verbund laminiert sind, wobei holographische Strukturen auch im Inneren zwischen zwei Substraten enthalten sein können.
Durch mehrere holographische Strukturen kann das optische Element ausgebildet sein, eine Vielzahl von optischen Kanälen und daher Teilen des Lichtstroms, welche unterschiedlichen Spektralbereich entsprechen, aus dem Lichtstrom und/oder voneinander zu trennen, und in unterschiedliche Raumwinkelbereiche abzulenken. Durch eine Kombination von mehreren von Transmissions- und Reflexions-Hologrammen, beispielsweise auf einer Vorder- und Hinterseite, möglicherweise mit zumindest teilweisen Überschneidungen der spektralen Bereiche, in welchen diese optisch wirksam sind, können die Detektoren für die optischen Kanäle im vorderen Halbraum oder dem hinteren Halbraum angeordnet werden.
In einigen Beispielen kann die holographische Struktur beispielsweise ein Transmissionshologramm oder ein Reflexionshologramm in einer Schicht umfassen, welches auf einer Oberfläche des optischen Elements aufgebracht ist. In besonders bevorzugten Beispielen sind mehrere holographische Strukturen, als Transmissionshologramm in Schichten ausgebildet, auf einer gekrümmten Oberfläche des optischen Elements aufgebracht. Beispielsweise können die holographischen Strukturen, in einer aufeinanderfolgenden, flächig miteinander verbundenen Schichtfolge enthalten sein. Eine derartige Schichtfolge kann beispielsweise jeweils auf der Vorderseite und/oder der Rückseite und/oder einer inneren Grenzfläche des optischen Elements aufgebracht, zum Beispiel laminiert sein, so dass für die Kanaltrennung und Strahlformung nur ein einzelnes integral ausgebildetes optisches Element nötig ist. Somit kann das optische Element einstückig oder monolithisch ausgebildet sein.
Beispielsweise ist auch denkbar, dass zumindest zwei einer Vielzahl von holographischen Strukturen des optischen Elements, mit Bezug auf den Strahlengang zwischen der vorderen und hinteren Oberfläche nicht oder nur teilweise übereinander angeordnet sind. Beispielsweise ist denkbar, dass zwei oder mehrere einer Vielzahl von holographischen Strukturen jeweils auf Abschnitten einer Oberfläche unterschiedlichen Krümmungen angeordnet sind. Dadurch können die Raumwinkelbereiche, die voneinander getrennt sein müssen, so dass Detektoren für die unterschiedlichen optischen Kanäle angeordnet werden können, weiter getrennt werden bzw. Licht der optischen Kanäle besser in die Detektoren fokussiert werden. Beispielsweise ist denkbar, dass zwei der holographischen Strukturen, welche übereinander angeordnet sind, zwei Spektralbereichen entsprechen. Beispielsweise können sich diese Spektralbereich gar nicht, teilweise oder vollständig überschneiden.
Eine Strahlabbildung des optischen Elements kann durch Kombination von Lichtbrechung an Grenzflächen unterschiedlicher Brechungsindizes, sowie holographischer Ablenkung durch holographische Strukturen in einem kompakten monolithischen optischen Element bereitgestellt werden. Das einstückig ausgebildete optische Element kann somit eine Kombination von Lichtbrechung und einer unterschiedlichen Lichtablenkung für mehrere Spektralkanäle durch ein holographisches Element bereitstellen. Insbesondere kann das optische Element eine Linse mit zumindest einer gekrümmten Vorderseite und/oder Rückseite, in Bezug auf einen Strahlengang sein. Somit wird ermöglicht, dass ein optisches Element eine Kombination von Lichtbrechung an Grenzflächen unterschiedlicher Brechungsindizes und spektralbereichsabhängige Beugung an holographischen Elementen zur Strahlabbildung kombiniert.
Die holographische Struktur kann ein Volumen-Transmissionshologramm umfassen, beispielweise in einer transparenten Schicht, welche auf eine Oberfläche des optischen Elements aufgebracht ist. Die holographische Struktur kann ein Volumen-Reflexionshologramm umfassen, beispielsweise in einer Schicht, welche auf eine Oberfläche des optischen Elements aufgebracht ist. Die holographische Struktur kann auch zwei Reflexionshologramme umfassen, wobei insbesondere ein erstes Reflexionshologramm der zwei Reflexionshologramme zumindest einen Teil des Lichts zu einem zweiten Reflexionshologramm der zwei Reflexionshologramme lenkt. Die holographische Struktur, oder in anderen Worten das holographische Element, kann beispielsweise zumindest teilweise auf einer Oberfläche des optischen Elements ausgebildet sein.
Es ist zu verstehen, dass eine oder mehrere holographische Strukturen von dem optischen Element umfasst sein können. Beispielsweise können mehrere holographische Strukturen auf dem optischen Element, oder auf einer oder mehreren verschiedenen Oberflächen in mehreren übereinanderliegenden Schichten verteilt sein.
Insbesondere kann das holographische Element auf einer Vorder- oder Rückseite, in Bezug auf einen Strahlengang der Nutzapertur, beispielsweise einer gekrümmten oder ebenen Oberfläche, des optischen Elements, aufgebracht sein. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass ein optisches Element eine oder mehrere Schichten oder Layer aus unterschiedlichen Materialien umfasst, wobei eine holographische Struktur in einer äußeren oder inneren Schicht des optischen Elements umfasst sein kann.
Ein Verfahren zur Untersuchung einer Probe umfasst die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt wird eine Probe bereitgestellt, die angeordnet ist, um Licht entlang eines Strahlengangs zu einem optischen Element auszusenden. In einem weiteren Schritt wird mindestens ein erfindungsgemäßes optisches Element bereitgestellt, das eingerichtet ist, um den Lichtstrom beziehungsweise den Strahlengang des Lichtroms der Probe basierend auf einer oder mehrerer holographischer Strukturen entsprechend verschiedener Spektralbereiche räumlich zu trennen. Das optische Element kann an der Probe angeordnet werden, zum Beispiel in Richtung eines von der Probe ausgesendeten Lichtstroms, und/oder in Richtung eines Strahlengangs des optischen Diagnosesystems, beispielsweise angrenzend an die Probe, so dass zumindest ein Teil des von der Probe ausgesendeten Lichtstroms auf das optische Element fällt. In einigen Beispielen wird durch das optische Element ein Strahlengang innerhalb der Nutzapertur durch das optische Element modifiziert, wobei in dem optischen Element einerseits eine auf Holographie basierende Ablenkung und weiter eine Ablenkung basierend auf Lichtbrechung an Grenzflächenübergängen miteinander kombiniert sein können.
Ein holographisches Element kann beispielsweise in einer transparenten Schicht enthalten sein, beispielsweise einer Fotoschicht, welche gespeicherte holographische Information umfassen kann, die mittels einer Einstrahlung von Licht geeigneter Wellenlänge und Richtung rekonstruiert werden kann.
Ein Bereitstellen einer holographischen Struktur an dem optischen Element kann ein flächiges Aufbringen, oder Laminieren, einer transparenten Schicht auf einer Oberfläche des optischen Elements umfassen, und wobei die transparente Schicht die holographische Struktur umfasst.
Die dargelegten Merkmale und Merkmale können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere können die beanspruchten optischen Systeme mit Merkmalen verbessert werden, welche in Bezug auf die beanspruchten optischen Elemente, sowie der beanspruchten Verfahren für optische Analysen, beschrieben wurden, und umgekehrt.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein optisches System zur Untersuchung einer Probe, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
2 zeigt schematisch ein optisches Element zur Analyse eines Lichtstroms einer Probe, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
3 zeigt schematisch ein weiteres optisches Element zur Analyse eines Lichtstroms einer Probe mit einer gekrümmten Oberfläche, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Analyse einer Probe, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Nachfolgend werden Techniken im Diagnostikbereich, insbesondere für optische Analysemethoden einer Probe bereitgestellt. Die bereitgestellten Techniken können besonders für Fluoreszenzmessungen, d.h. Analysen von basierend auf Fluoreszenz erzeugten Lichtströmen einer Probe verwendet werden, beispielsweise für eine Durchflusszytometrie, oder Fluoreszenzmikroskopie. Einige Beispiele können einen Demultiplexer für ein optisches Diagnosesystem einer Probe betreffen.
Die vorliegende Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird.
Bei der Durchflusszytometrie besteht das Ziel, einzelne biologische Zellen in einem Zell-Strom zu identifizieren und zu differenzieren. Hierzu kommen beispielsweise optische Identifikationsverfahren zu Einsatz: Die einzelnen Zellen des Zell-Stromes werden mit einem oder mehreren Anregungslasern beleuchtet. Das von den Zellen gestreute Anregungslicht sowie die von den Zellen emittierte Fluoreszenzstrahlung muss anschließend gesammelt und zur Detektion in einzelne Spektralkanäle separiert werden. Typischerweise wird das gestreute und emittierte Licht von einem Objektiv eingesammelt und kollimiert und anschließend über eine Anordnung mehrerer Interferenzfilter in mehrere räumlich voneinander getrennte Spektralkanäle zerlegt, welche von diskreten Detektoren erfasst werden.
Derartige Kombinationen aus Objektiv und einer Abfolge verschiedenartiger Interferenzfilter in diagnostischen optischen Systemen hat wesentliche Nachteile. So beansprucht der Aufbau aus mehreren diskreten optischen Bauelementen viel Platz und limitiert die minimal erreichbare Gerätegröße. Weiter stellen die Anzahl und die Komplexität der Einzelelemente, insbesondere die Interferenzfilter, einen signifikanten Kostenfaktor dar.
1 zeigt schematisch ein optisches System 100 zur Untersuchung einer Probe 1, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Das optische System der 1 ermöglicht eine Charakterisierung biologischer Zellen mittels optischer Durchflusszytometrie, wobei insbesondere das Einsammeln / Kollimieren resp. Refokussieren/Abbilden des von einer einzelnen Zelle gestreuten / emittierten Lichtes aus einem großen Raumwinkelbereich, und die Zerlegung des eingesammelten Lichtes in räumlich getrennte Spektralkanäle, welche durch diskrete Detektoren registriert werden können, bereitgestellt wird. Es ist zu verstehen, dass das erfindungsgemäße optische Element in beliebigen optischen Untersuchungsmethoden und -systemen in der Diagnostik eingesetzt werden kann, in welchen eine separate Analyse von optischen Spektralbereichen einer Probe erforderlich ist, beispielsweise der optischen Mikroskopie, oder der Fluoreszenzmikroskopie zur Untersuchung eines Präparats oder von Zellen, in welcher optische Spektralbereiche, z.B. Fluoreszenzkanäle, voneinander getrennt analysiert werden.
Wie in 1 abgebildet, werden einzelne Zellen innerhalb eines Zell-Stromes 1 von einem Anregungslaser 2 beleuchtet und somit optisch angeregt. Das von einer einzelnen Zelle gestreute Licht und die emittierte Fluoreszenzstrahlung werden in alle Raumrichtungen ausgesandt. Ein Teil dieses Lichts trifft als Lichtstroms 3 auf ein optisches Element 10, umfassend einen Stapel aus mehreren Volumenhologrammen 4 welche auf einem transparenten Substrat 5 aufgebracht sind. Durch den Stapel aus holographischen Strukturen 4 wird eine wellenlängenabhängige Aufteilung des auf dem optischen Element 10 eintreffenden optischen Lichtstroms 3 von der Probe 1 auf die Ausgangskanäle ermöglicht. Photodetektoren 6-8 detektieren das Licht der einzelnen Spektralbereiche in einer räumlichen Anordnung, welche von der Hauptachse des Lichtstroms 3 abweicht.
Ein einzelnes holographisches Element 4 des optischen Elements kann sich durch eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auszeichnen. Aufgrund einer räumlichen Brechzahlmodulation kann hindurchtretendes Licht durch Beugung abgelenkt werden. Die konkrete Ausgestaltung der Brechzahlverteilung kann eine Licht-sammelnde Wirkung mit einer relevanten objektseitigen numerischen Apertur von NA > 0,2 oder NA > 0,5, oder NA>0,7 bereitstellen. Das gesammelte Licht kann in eine definierte Raumrichtung abgelenkt werden. Aufgrund der Ausgestaltung der Dicke und des Brechzahlkontrastes kann das Licht nur innerhalb eines scharf begrenzten Wellenlängenbandes, d.h. innerhalb eines Spektralbereiches, effizient gebeugt werden. Außerhalb dieses spektralen Bandes kann das Licht nicht wesentlich beeinflusst sein. Somit kann durch Kombination dieser Eigenschaften durch ein einzelnes Volumenhologramm Licht innerhalb eines definierten Spektralbereiches gesammelt und definiert auf einen Detektor gelenkt werden. Mehrere Volumenhologramme, die unterschiedliche Spektralbereiche adressieren, können übereinandergestapelt werden, um mehrere spektrale Kanäle zu realisieren, denen verschiedene räumlich getrennte Detektoren zugeordnet sind.
In 1 sind beispielhaft drei spektrale Kanäle realisiert, denen drei räumlich getrennte Detektoren, z.B. Photomultiplier-Tubes (PMTs) 6 bis 8 zugeordnet sind. In besonders bevorzugten Beispielen können 10, 20, oder mehr als 50 optische Kanäle mit einem erfindungsbemäßen einstückigen optischen Demultiplexer realisiert werden. Bandbreiten der optischen Kanäle können beispielsweise, ohne Einschränkung, im Bereich von 1-10 nm, oder 1-20 nm, oder 1-30 nm liegen. Schichtdicken der holographischen Strukturen können beispielsweise, ohne Einschränkung, im Bereich von 1 µm bis 100 µm liegen. Abmessungen des optischen Elements transversal zum Lichtstrom können beispielsweise, ohne Einschränkung, im Bereich von 1 bis 10 mm oder 1 bis 20 mm liegen. Die räumliche Anordnung der Raumwinkelbereiche bzw. Detektoren kann in beiden Halbräumen liegen und kann in vertikaler und/oder horizontaler Richtung von der zentralen Hauptachse (d.h. zentralen Verbindungslinie zwischen Probe und optischem Element) abweichen. Durch variable Bündelung und Ablenkung von Teilen des Lichtstroms entsprechend einzelner Spektralteilbereiche kann eine kompakte Anordnung der Detektoren erreicht werden.
Somit wird anstelle mehrerer diskreter optischer Bauelemente, z.B. ein Objektiv und mehrere Interferenzfilter, ein einzelnes, sehr kompaktes, integriertes optisches Bauelement bereitgestellt, welches integral oder monolithisch ausgebildet sein kann.
2 zeigt schematisch ein optisches Element 10 zur Analyse eines Lichtstroms einer Probe, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Wie in 2 abgebildet, ist eine Vielzahl von holographischen Elementen 9 in Form eines Stapels 4 von Schichten auf einer vorderen Oberfläche eines Trägersubstrats 5 aufgebracht. Die holographischen Elemente 9 können somit einem integralen Teil des optischen Elements 10 entsprechen, und sind mit dem Trägersubstrat 5 fest und flächig verbunden. Somit kann ein kompaktes monolithisches optisches Bauteil realisiert werden.
3 zeigt schematisch ein weiteres optisches Element 10 zur Analyse eines Lichtstroms einer Probe mit gekrümmten Oberflächen, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Die vordere Fläche des Substrates 5, auf der die Hologramme 9 aufgebracht sind, ist gekrümmt, um die diffraktive Sammelwirkung zusätzlich durch eine refraktive Sammelwirkung zu unterstützen. Ergänzend kann eine weitere Fläche des Substrates, zum Beispiel die Hinterseite gekrümmt sein, um einen zusätzliche refraktiven Lichtsammeleffekt zu bewirken. Beispielsweise können die Oberflächen konkav, konvex, oder variablen freigeformte Krümmungen aufweisen. Durch eine geeignete Kombination von gekrümmten Oberflächen kann eine Strahlabbildung durch Lichtbrechung und eine geeignete Position sowie Dimensionierung des optischen Elements ermöglicht werden, so dass der Lichtstrom, welcher von der Probe in das optische Element fällt, vergrößert werden kann.
Die räumliche Trennung des optischen Signals kann somit sowohl entlang einer Raumrichtung als auch entlang von zwei Raumrichtungen erfolgen. Arbeitsabstand, numerische Apertur, Kanalanzahl und Kanalbreite der Hologramm-Anordnung können entsprechend konkreter Erfordernisse angepasst werden. Die konkrete räumlich Anordnung und die Art der Detektoren (z.B. Avalanche-Photodioden, Photomultiplier-Tubes) kann variiert werden. Die räumlich getrennten Detektoren können anstelle von Einzeldetektoren auch als Detektor-Array oder Detektor-Zeile ausgeführt sein.
Eine Strahlabbildung des optischen Elements kann durch Kombination von Lichtbrechung an Grenzflächen unterschiedlicher Brechungsindizes, sowie von holographischer Ablenkung durch holographische Strukturen in dem optischen Element, in einem kompakten monolithischen optischen Element bereitgestellt werden. Das einstückig ausgebildete optische Element kann somit eine Kombination von Lichtbrechung und einer unterschiedlichen Lichtablenkung für mehrere Spektralkanäle durch ein holographisches Element bereitstellen.
In einigen Beispielen kann das holographische Element (HOE) als Transmissions-HOE oder als Reflexions-HOE oder als Kombination von beiden implementiert sein. Allgemein kann eine holographische Struktur, in anderen Worten ein holographisches Element (HOE), als Volumen-HOE implementiert sein, das heißt eine Variation des Brechungsindex in 3-D aufweisen. Ein entsprechender Brechungsindex-modulierter Bereich weist eine 3-D Ausdehnung auf. Diese Variation des Brechungsindex bricht das Licht mit einem Diffraktionsmuster, wodurch das Hologramm ausgebildet wird. Das Volumen-HOE ist abgegrenzt gegenüber einem Oberflächen-HOE, bei welchem eine Modulation oder eine Absorptionsvariation der Oberfläche eines Substrats das Diffraktionsmuster hervorruft. Zum Beispiel könnte die Oberfläche wellenförmig ausgebildet sein, beispielsweise bei einem Phasenhologramm, oder unterschiedliche lichtdurchlässige oder lichtundurchlässige Bereiche aufweisen, beispielsweise bei einem Amplitudenhologramm. Weiterhin weist ein Volumenhologramm eine nullte und erste Beugungsordnung und möglicherweise weitere Beugungsordnungen auf. Bei einem Transmissions-HOE wird der Brechungsindex-modulierte Bereich von einer Seite beleuchtet und das Hologramm wird in einem der gegenüberliegenden Seite zugewendeten Halbraum erzeugt. Bei Reflexions-HOE wird der Brechungsindex-modulierte Bereich von einer Seite beleuchtet und das Hologramm wird in einem derselben Seite zugewendeten Halbraum erzeugt.
Allgemein kann eine holographische Struktur, oder in anderen Worten ein holographisches Element, ein Hologrammbereich, oder Hologramm, als Volumen-Transmissionshologramm, als Reflexionshologramm oder als ein z-Hologramm (zwei Reflexionshologramme) gestaltet sein kann, um Farbeffekte besser kompensieren zu können. Insbesondere kann eine Vielzahl von holographischen Elementen als beliebige Kombination einer Vielzahl von Transmissions- oder Reflexionshologrammen ausgebildet sein, welche sich zum Beispiel teilweise oder vollständig in ihrer räumlichen Anordnung entlang des Strahlengangs überdecken oder überschneiden können, wodurch eine Vielzahl von optischen Spektralbereichen oder Kanälen des zu Analysierenden Lichtstroms voneinander getrennt werden können. Auch ist denkbar, dass sich zwei oder mehrere derartige holographische Bereiche in ihren optischen Spektralbereichen, in welchen sie Licht ablenken können, zumindest teilweise oder vollständig überschneiden bzw. überdecken können. Beispielsweise kann durch optisch nacheinander angeordnete Hologramme mit ähnlicher spektraler Charakteristik eine zusätzliche Einengung eines spektralen Intervalls erzielt werden, zum Beispiel zur Unterdrückung von Side-Lobes, die mit einem Einzelhologramm unter Berücksichtigung der verfügbaren optischen Materialparameter nicht erzielt werden kann. In einigen Beispielen kann eine Anordnung von zwei oder mehreren holographischen Strukturen und/oder einer Kombination variierter Materialparameter und/oder ein Überschneidung von wirksamen Spektralbereichen der holographischen Strukturen in Verbindung mit einer geeigneten Auswahl von Inzidenz- und Ablenkwinkel eine zu einer spektralen Verschiebung der Side-Lobe-Modulation (lokale Maxima und Minima) zweier Hologramme relativ zueinander führen. Diese Hologramme können zur Lichtumlenkung optisch nacheinander angeordnet sein, wobei sich die spektrale Gesamtcharakteristik aus der Multiplikation der Einzelcharakteristiken ergeben kann. Eine effektive Side-Lobe-Unterdrückung kann so in den Teilen des übertragenen Spektrums erfolgen, in denen die Maxima (der Side-Lobes) des einen Hologramms mit den Minima des anderen zusammenfallen. Zentrale Effizienz-Peaks können sich dabei überlappen. Diese Option ist für Anwendungen einsetzbar, in welchen die spektralen Intervalle schmal sein sollen und in denen ein stärkeres Übersprechen zu anderen Kanälen störend wäre. In einigen Beispielen könne zwei optisch nacheinander angeordnete und in zumindest teilweise überlappenden Spektralbereichen wirksame holographische Strukturen auf gegenüberliegenden Oberflächen, d.h. der Vorder- und der Rückseite des optischen Elements angeordnet sein. In verschiedenen Anordnungen sind somit Raumwinkelbereiche in beiden Halbräumen in Bezug auf das optische Element und den Strahlengang möglich.
Die Größe und Position des Hologrammbereichs auf dem optischen Element kann als Parameter bzw. Freiheitsgrad benutzt werden, um die Menge des durch die holographische Struktur abgelenkten Lichts zu optimieren. Mehrere aktive Hologrammbereiche können auch verteilt über das optische Element, welches beispielsweise eine lichtsammelnde Wirkung aufweisen kann, d.h. einer Linse entsprechen kann, vorliegen.
Somit können in einem optischen Diagnosesystem eines oder mehrere der folgenden Elemente enthalten sein. Eine Probe, welchen untersucht werden soll, z. B. ein Strom aus Einzelzellen die identifiziert oder differenziert werden sollen, ein optischer Anregungsmechanismus, der zur Aussendung von Streulicht und Fluoreszenzstrahlung durch die Zellen führt, ein optisches Element umfassend einen Stapel mehrerer Volumenhologramme, deren Effizienz auf verschiedene spektrale Bänder abgestimmt ist, und die das Licht innerhalb dieser spektralen Bänder einsammeln und in unterschiedliche Raumrichtungen ablenken, und eine Anordnung mehrerer räumlich getrennter optischer Detektoren, die das durch die Volumenhologramme abgelenkte Licht registrieren.
Durch das Ersetzen mehrerer diskreter optischer Bauelemente, z.B. ein Objektiv und mehrere Interferenzfilter, durch ein einzelnes, kompaktes integriertes optisches Bauelement kann eine erhebliche Reduktion des optischen Bauraumes des Instruments erreicht werden. Weiterhin existieren für Volumenhologramme kosteneffektive Replikationsprozesse, die geringere Herstellungskosten im Vergleich zu einem System mit aufwendigen Interferenzfiltern ermöglichen.
4 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Untersuchung einer Probe. Das Verfahren beginnt in Schritt S10. In Schritt S20 wird eine Probe bereitgestellt, und in Schritt S30 in Relation zu einem optischen Element gemäß der vorliegenden Offenbarung so angeordnet, dass ein Lichtstrom von der Probe auf eine Vorderseite des optischen Elements fällt. In Schritt S40 wird ein Signal detektiert, welches auf einem Teil des gesamten Lichtstroms entsprechend einem optischen Spektralteilbereich des Lichtstroms basiert, d.h. der Teil des Lichtroms, welcher durch die holographische Struktur abgelenkt wird, hat ein optisches Spektrum, welches nur ein Teilbereich des Spektrums des gesamten Lichtstroms von der Probe ist. Das Signal wird von einem Detektor, welcher in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich angeordnet ist, durch den abgelenkten Teil des Lichtstroms erzeugt. In einigen Beispiele wird in einem weiteren Schritt eine Fluoreszenzmessung, zum Beispiel eine Fluoreszenzmikroskopie oder eine Durchflusszytometrie durchgeführt. In Schritt S50 endet das Verfahren.
Zusammenfassend ist ein einstückiges optisches Element für ein Diagnostiksystem ausgebildet, um einen Lichtstrom einer zu untersuchenden Probe zu empfangen. Das optische Element umfasst zumindest eine holographische Struktur, welche einen ersten Teil des Lichtstroms, welcher einen ersten optischen Spektralbereich aufweist, in einen ersten vorbestimmten Raumwinkelbereich ablenkt. Vorzugsweise umfasst das optische Element mehrere holographische Elemente, welche in unterschiedlichen Spektralbereichen wirksam sind, und zumindest eine gekrümmte Oberfläche, um die Strahlabbildung durch die holographischen Elemente zu unterstützen.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.

Claims

Optisches Diagnosesystem, umfassend: - eine zu untersuchende Probe (1), die eingerichtet ist, einen Lichtstrom (3) entlang eines Strahlengangs zu einem optischen Element (10) auszusenden; - ein optisches Element (10), welches ausgebildet ist, um den Lichtstrom (3) von der zu untersuchenden Probe (1) zu empfangen, wobei das optische Element (10) eine holographische Struktur (9) umfasst, welche ausgebildet ist, um einen ersten Teil des Lichtstroms (3), welcher einen ersten optischen Spektralbereich aufweist, in einen ersten vorbestimmten Raumwinkelbereich abzulenken; - einen Detektor, welcher den in den vorbestimmten Raumwinkelbereich abgelenkten Teil des Lichtstroms (3) für eine Analyse detektiert.
Optisches Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei das optische Element (10) ein auf Vorder- und Rückseite planes Trägermaterial umfasst, auf welchem die holographische Struktur aufgebracht ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (10) ein Trägermaterial mit zumindest einer gekrümmten Oberfläche aufweist, durch welche der erste Teil des Lichtstroms (3) basierend auf Lichtbrechung abgelenkt wird.
Optisches Diagnosesystem nach Anspruch 3, wobei die holographische Struktur (9) auf der gekrümmten Oberfläche aufgebracht ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial eine zweite gekrümmte Oberfläche umfasst.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (10) eine zweite holographische Struktur (9) umfasst, wobei die zweite holographische Struktur (9), einen zweiten Teil des Lichtstroms (3), welcher einen zu dem ersten optischen Spektralbereich unterschiedlichen zweiten optischen Spektralbereich des Lichtroms aufweist, in einen zu dem ersten Raumwinkelbereich unterschiedlichen zweiten Raumwinkelbereich ablenkt.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine holographische Struktur (9) ein Transmissionshologramm oder ein Reflexionshologramm in einer Schicht umfasst, welche auf einer gekrümmten oder ebenen Oberfläche des optischen Elements (10) aufgebracht ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die holographische Struktur (9) zwischen zwei Trägermaterialien des optischen Elements (10) angeordnet ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von holographischen Strukturen, welche in einer jeweiligen Schicht auf dem optischen Element (10) ausgebildet und in einem Schichtstapel zumindest teilweise übereinander angeordnet sind, wobei jede der holographischen Strukturen einem unterschiedlichen optischen Kanal entsprechend einem unterschiedlichen optischen Teilspektralbereich des Lichtstroms (3) zugeordnet ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (10) einstückig oder monolithisch ausgebildet ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Licht von der Probe (1) direkt auf das optische Element (10) fällt.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei holographische Strukturen (9) jeweils auf einem Abschnitt einer Oberfläche mit unterschiedlichen Krümmungen angeordnet sind.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwei holographische Strukturen (9), welche im Strahlengang nacheinander angeordnet sind, zwei optischen Spektralbereichen entsprechen, welche sich zumindest teilweise überschneiden.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die holographische Struktur (9) als Volumenhologramm ausgeführt ist.
Optisches Diagnosesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtstrom (3) zumindest teilweise basierend auf Fluoreszenz der Probe (1) erzeugt wird.
Optisches Element (10) zur Untersuchung einer Probe (1), welches ausgebildet ist, um einen Lichtstrom (3) von der zu untersuchenden Probe (1) zu empfangen, weiter umfassend zumindest eine holographische Struktur (9), welche ausgebildet ist, um einen ersten Teil des Lichtstroms (3), welcher einen ersten optischen Spektralbereich aufweist, in einen ersten vorbestimmten Raumwinkelbereich abzulenken.
Verfahren zur optischen Untersuchung einer Probe (1), umfassend: - Bereitstellen einer Probe (1); - Anordnen eines optischen Elements (10) umfassend eine holographische Struktur (9) an der Probe (1), so dass ein Lichtstrom (3) von der Probe (1) auf das optische Element (10) fällt; - Detektieren eines Signals basierend auf einem Teil des Lichtstroms (3) entsprechend einem optischen Spektralteilbereich des Lichtstroms (3), welcher durch die holographische Struktur (9) in einem vorbestimmten Raumwinkelbereich abgelenkt wurde, welcher von einer Hauptstrahlrichtung des Lichtstroms (3) unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 17, weiter umfassend: - Durchführen einer Durchflusszytometrie, basierend auf dem Signal.