-
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufrüsten eines ein Objektiv und einen Bildanschluss aufweisenden Lichtmikroskops zu einem STED-Mikroskop.
-
Bei einem STED-Mikroskop handelt es sich bekanntermaßen um ein Laser-Scanning-Mikroskop, mit dem eine Probe nicht nur mit einem fokussierten Anregungslichtstrahl abgetastet wird, sondern bei dem die Probe auch mit einem fokussierten Stimulationslichtstrahl beaufschlagt wird, der so geformt ist, dass er an dem Intensitätsmaximum des Fluoreszenzanregungslichts ein Intensitätsminimum, im Idealfall eine Nullstelle des Stimulationslichts aufweist, die von Intensitätsmaxima des Stimulationslichts umgegeben ist. Daher kann mit einem Detektor registriertes Fluoreszenzlicht nur aus einem kleinen Bereich um das Intensitätsminimum beziehungsweise die Nullstelle stammen, in dem das Stimulationslicht in der Probe vorhandene und durch das Fluoreszenzanregungslicht angeregte Fluorophore nicht wieder abregt und so die Emission von Fluoreszenzlicht verhindert. Entsprechend kann das registrierte Fluoreszenzlicht diesem kleinen Bereich und den darin angeordneten Fluorophoren zugeordnet werden.
-
Spezielle STED-Mikroskope sind relativ kostspielig.
-
STAND DER TECHNIK
-
Es ist grundsätzlich bekannt, ein Lichtmikroskop mit einem Bildanschluss, insbesondere einem Kameraanschluss, zu einem STED-Mikroskop aufzurüsten. Dabei kann das Lichtmikroskop auch bereits ein Laser-Scanning-Mikroskop sein, wobei jedoch vorzugsweise nicht dessen vorhandener Scanner genutzt wird. Das heißt, auch bei einem vorhandenen Laser-Scanning-Mikroskop, beispielsweise einem konfokalen Mikroskop wird ein vorhandener Bild- oder Kameraanschluss genutzt, wobei der Scanner des Laser-Scanning-Mikroskops nicht zwischen diesem Bild- oder Kameraanschluss und der jeweiligen Probe angeordnet ist. Anders gesagt wird auch ein vorhandenes Laser-Scanning-Mikroskop vorzugsweise nur als Lichtmikroskop genutzt.
-
Eine Vorrichtung zum Aufrüsten eines Lichtmikroskops mit einem Bildanschluss zu einem STED-Mikroskop, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1 aufweist, ist aus Görlitz et al.: A STED Microscope Designed for Routine Biomedical Applications, Progress In Electromagnetics Research, Vol. 147, 2014 bekannt. Als Strahlformungsmittel ist eine sogenannte easySTED Wellenplatte zwischen der Tubuslinse und der Objektivlinse eines nur als Lichtmikroskops verwendeten konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops angeordnet. Zwischen einen bidirektionalen Strahlteiler, der die Auskopplungsmittel für das Fluoreszenzlicht ausbildet, und einen dichroitischen Strahlteiler, der die Zusammenführungsmittel für den Anregungslichtstrahl und den Verhinderungslichtstrahl ausbildet, ist ein Lichtleiter in Form einer polarisationserhaltenden optischen Faser geschaltet. Der Detektor weist zwei Teildetektoren für Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Wellenlängen auf. Der Scanner ist ein sogenannter Quad-Scanner mit viel Drehspiegeln, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Alle Funktionen des mit Hilfe der bekannten Vorrichtung realisierten STED-Mikroskops werden durch einen Steuerrechner gesteuert, der auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) basiert. Der Steuerrechner steuert auch einen Probenpositionierer zur Positionierung der Probe in z-Richtung der optischen Achse des Objektivs des Lichtmikroskops. Dieser Probenpositionierer weist ein Piezoelement auf. Weiterhin steuert der Steuerrechner das Timing zwischen Pulsen des Anregungslichtstrahls und des Verhinderungslichtstrahls. Dafür sind zwischen der Anregungslichtquelle und dem dichroitischen Strahlteiler ein AOTF (Accusto-Optic Tunable Filter) und zwischen der Verhinderungslichtquelle und dem dichroitischen Spiegel ein AOM (Accusto-Optic Modulator) vorgesehen, die von dem Steuerrechner angesteuert werden. Der Steuerrechner erhält die Ausgangssignale der Teildetektoren für das Fluoreszenzlicht. Betrieben wird der Steuerrechner mit einem speziellen Programm und einer grafischen Benutzerschnittstelle.
-
AUFGABE DER ERFINDUNG
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit dem Merkmal des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1 aufzuzeigen, mit der das Aufrüsten eines ein Objektiv und einen Bildanschluss aufweisenden Lichtmikroskops zu einem STED-Mikroskop vereinfacht wird.
-
LÖSUNG
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Schutzansprüchen zu entnehmen.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufrüsten eines ein Objektiv und einen Bildanschluss aufweisenden Lichtmikroskops zu einem STED-Mikroskop. Die Vorrichtung weist eine einen Anregungslichtstrahl aus Fluoreszenzanregungslicht bereitstellende Anregungslichtquelle und eine einen Verhinderungslichtstrahl aus Fluoreszenzverhinderungslicht bereitstellende Verhinderungslichtquelle auf. Grundsätzlich können die Anregungslichtquelle und die Verhinderungslichtquelle Licht aus derselben primären Lichtquelle beziehen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Anregungslichtquelle und die Verhinderungslichtquelle separate primäre Lichtquellen aufweisen. Hierbei kann es sich insbesondere um Laser oder Laserdioden handeln. Weiter weist die Vorrichtung Zusammenführungsmittel, die den Anregungsstrahl und den Verhinderungslichtstrahl zu einem kombinierten Lichtstrahl zusammenführen, und Strahlformungsmittel auf, durch die der kombinierte Lichtstrahl hindurchtritt. Die Strahlformungsmittel formen dabei selektiv den Verhinderungslichtstrahl so, dass das Fluoreszenzverhinderungslicht beim Fokussieren des kombinierten Lichtstrahls mit dem Objektiv des Lichtmikroskops am Ort eines Intensitätsminimums des Fluoreszenzanregungslichts des ebenfalls mit dem Objektiv fokussierten Anregungslichtstrahls ein von Intensitätsmaxima umgebenes Intensitätsminimum ausbildet. Zum Abtasten der Probe mit dem Intensitätsminimum des Fluoreszenzverhinderungslichts ist ein den kombinierten Lichtstrahl ablenkender Scanner der Vorrichtung vorgesehen. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Detektor für Fluoreszenzlicht auf, das aus einem das Intensitätsminimum des Fluoreszenzverhinderungslichts umfassenden Bereich der Probe austritt und durch das Objektiv hindurchtritt. Dabei kann der Detektor konfokal zu dem Intensitätsminimum angeordnet sein. Auskopplungsmittel, die das Fluoreszenzlicht aus dem Strahlengang des kombinierten Lichtstrahls zu dem Detektor hin auskoppeln, sind zwischen dem Scanner und den Zusammenführungsmitteln angeordnet. Zur Steuerung weist die Vorrichtung ein Steuerrechner auf, auf dem ein Steuerprogramm installiert ist, in das über eine Benutzerschnittstelle Steuerbefehle eingebbar sind. Der Steuerrechner übermittelt abhängig von den Steuerbefehlen und dem auf ihm laufenden Steuerprogramm Ansteuersignale zumindest an die Anregungslichtquelle, die Verhinderungslichtquelle und den Scanner. Von dem Detektor empfängt der Steuerrechner Ausgangssignale, und abhängig von den Steuerbefehlen, den Ausgangssignalen und dem auf ihm laufenden Steuerprogramm gibt der Steuerrechner Bilddaten über die Benutzerschnittstelle aus.
-
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung ein zu dem Bildanschluss des Lichtmikroskops passendes und an den Bildanschluss festlegbares Gegenstück sowie eine an dem Gegenstück ortsfest gelagerte tragende Struktur. Dass die tragende Struktur ortsfest an dem Gegenstück gelagert ist, schließt nicht aus, dass ihr Ort gegenüber dem Gegenstück verstellbar ist, so lange der Ort der tragenden Struktur gegenüber dem Gegenstück im Betrieb der Vorrichtung festliegt. An der tragenden Struktur sind zumindest die Strahlformungsmittel und der Scanner in gegenüber dem Gegenstück definierten Positionen und Ausrichtungen gelagert. Dabei ist der Scanner zwischen den Strahlformungsmitteln und dem Gegenstück angeordnet, das heißt, er liegt bezogen auf den Strahlengang des kombinierten Lichtstrahls, der aus dem Gegenstück in den Bildanschluss übertritt, näher an dem Gegenstück als die Strahlformungsmittel. Die Benutzerschnittstelle ist erfindungsgemäß als Webanwendung auf dem Steuerrechner installiert, die dazu ausgebildet ist, von einem Hostrechner aus über einen Webbrowser geöffnet zu werden. Die Benutzerschnittstelle des Steuerrechners macht damit von einem Hostrechner Gebrauch, der nicht unmittelbarer Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, sondern irgendein externer Rechner sein kann. An diesen Rechner besteht die einzige Anforderung, dass er Webanwendungen über einen Webbrowser öffnen kann. Von irgendwelchen Änderungen, insbesondere Updates des Steuerprogramms auf dem Steuerrechner ist der Hostrechner nicht betroffen, und dies gilt auch umgekehrt.
-
Im Ergebnis kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Lichtmikroskop auf einfache Weise zu einem STED-Mikroskop aufgerüstet werden, indem das Gegenstück an dem Bildanschluss festgelegt wird. Dies kann der einzige unmittelbare Eingriff in das Lichtmikroskop sein. Zumindest erfolgt kein weiterer Eingriff in den Strahlengang des Lichtmikroskops. Nach dem Einschalten der Vorrichtung kann dann von irgendeinem Hostrechner über den Webbrowser die Benutzerschnittstelle des Steuerrechners als Webanwendung geöffnet werden. Damit ist das STED-Mikroskop bereits betriebsbereit. Sowohl auf Seiten des Lichtmikroskops als auch des Hostrechners sind hierfür keine Anpassungen, insbesondere keine Eingriffe in den optischen Strahlengang oder in die Programmierung erforderlich.
-
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die auf dem Steuerrechner installierte Webanwendung vorzugsweise dazu ausgebildet, über den Webbrowser eine Benutzeroberfläche und die Bilddaten an den jeweiligen Hostrechner zu übermitteln. Der jeweilige Benutzer kann dann über den Hostrechner und die dahin übermittelte Benutzeroberfläche Befehle an das STED-Mikroskop geben, die von dem Steuerrechner umgesetzt werden. Der Hostrechner kann bei der Ausführung dieser Befehle als Rich Client oder als Thin Client betrieben werden, das heißt auch selbst Datenverarbeitung durchführen oder ausschließlich über die Benutzerschnittstelle eingegebene Daten an die Webanwendung auf dem Steuerrechner übermitteln. In umgekehrter Richtung übermittelt der Steuerrechner die Bilddaten über die Webanwendung an den Hostrechner.
-
Der Steuerrechner kann für seine Kommunikation mit dem Hostrechner eine physikalische Schnittstelle für eine drahtlose oder drahtgebundene Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit dem Hostrechner aufweisen. Alternativ kann der Steuerrechner eine physikalische Schnittstelle für seine Integration in ein drahtloses oder drahtgebundenes Datennetzwerk und/oder das Internet aufweisen. Der Steuerrechner kann auch verschiedene physikalische Schnittstellen aufweisen, die alternativ oder parallel zur Kommunikation mit einem oder mehreren Hostrechnern genutzt werden können.
-
Vorzugsweise kann der Steuerrechner ein sogenanntes System On a Module (SOM) aufweisen. Dies bedeutet, dass der Steuerrechner nicht als separates Modul oder separate Einheit vorliegt, sondern in ein auf weitere Funktionen oder Aufgaben erfüllendes Modul integriert ist. Weiterhin basiert der Steuerrechner vorzugsweise auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array)
-
Konkret kann der Steuerrechner in einem Versorgungsmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein, das separat von der tragenden Struktur gelagert ist, das heißt nicht mit Hilfe des an den Bildanschluss festzulegenden Gegenstücks.
-
In diesem Versorgungsmodul können weiterhin die Anregungslichtquelle und die Verhinderungslichtquelle angeordnet sein. Dabei kann die Anregungslichtquelle mehrere Teillichtquellen aufweisen, die Fluoreszenzanregungslicht verschiedener Wellenlängen für den Anregungslichtstrahl bereitstellen. Mit diesen Teillichtquellen können verschiedene Fluorophore mit unterschiedlichen Anregungsspektren selektiv angeregt werden, um sogenannte Mehrfarben-STED-Mikroskopie durchzuführen. Grundsätzlich kann auch die Verhinderungslichtquelle mehrere Teillichtquellen aufweisen, die Fluoreszenzverhinderungslicht verschiedener Wellenlängen für den Verhinderungslichtstrahl bereitstellen. Häufig reicht jedoch zum Stimulieren, das heißt zum wieder Abregen, verschiedener Fluorophore mit unterschiedlichen Anregungsspektren bei der Mehrfarben-STED-Mikroskopie ein Verhinderungslichtstrahl mit Fluoreszenzverhinderungslicht einer einzigen Wellenlänge aus.
-
Neben der Anregungslichtquelle und der Verhinderungslichtquelle können auch die den Anregungslichtstrahl mit dem Verhinderungslichtstrahl zusammenführenden Zusammenführungsmittel in dem Versorgungsmodul angeordnet sein. Dann wird von dem Versorgungsmodul bereits der kombinierte Lichtstrahl zur Verfügung gestellt. Konkret kann an dem Versorgungsmodul ein erster Lichtleiteranschluss für einen den kombinierten Lichtstrahl leitenden Lichtleiter vorgesehen sein, während ein zweiter Lichtleiteranschluss für den den kombinierten Lichtstrahl leitenden Lichtleiter in gegenüber dem Gegenstück definierter Position und Ausrichtung an der tragenden Struktur gelagert ist. Damit tritt der kombinierte Lichtstrahl in gegenüber dem Gegenstand definierter Position und Ausrichtung aus dem Lichtleiter aus. Als Lichtleiter ist insbesondere eine polarisationserhaltende optische Faser geeignet.
-
Auch der Detektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in dem Versorgungsmodul angeordnet sein. Dazu kann an dem Versorgungsmodul mindestens ein dritter Lichtleiteranschluss für mindestens einen das Fluoreszenzlicht leitenden Lichtleiter vorgesehen sein, während mindestens ein vierter Lichtleiteranschluss für den mindestens einen das Fluoreszenzlicht leitenden Lichtleiter in gegenüber dem Gegenstück definierter Position und Ausrichtung an der tragenden Struktur gelagert ist. Ein für das Leiten des Fluoreszenzlicht besonders geeigneter Lichtleiter ist eine Multi Mode-Faser.
-
Weiterhin kann in dem Versorgungsmodul ein Massenspeicher für die Bilddaten angeordnet sein, die der Steuerrechner aus den Ausgangssignalen des Detektors für das Fluoreszenzlicht generiert. Auf diesen Massenspeicher kann von dem Hostrechner aus über die auf dem Steuerrechner installierte Webanwendung zugegriffen werden.
-
Alle zwischen dem Versorgungsmodul und der tragenden Struktur beziehungsweise den daran gelagerten Bauteilen der Vorrichtung verlaufenden Leiter und Leitungen können innerhalb eines einzigen flexiblen Mantels angeordnet sein. Die über das Gegenstück an den Bildanschluss des Lichtmikroskops angeschlossene Einheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die hier auch als Scannerkopf bezeichnet wird, kann dann ausschließlich über den in diesen Mantel eingehüllten Leiterstrang mit dem Versorgungsmodul verbunden sein. Weitere Verbindungen außer denjenigen zu dem Bildanschluss und dem Versorgungsmodul weist der Scannerkopf in der Regel nicht auf.
-
Die Zusammenführungsmittel, die den Anregungslichtstrahl und den Verhinderungslichtstrahl zu dem kombinierten Lichtstrahl zusammenführen, können mindestens ein von dem Steuerrechner ansteuerbares Strahlablenkungsmittel aufweisen. Mit Hilfe eines solchen Strahlablenkungsmittels ist es einfach möglich, den jeweiligen Lichtstrahl, statt ihn in den kombinierten Lichtstrahl eingehen zu lassen, vorübergehend auszublenden. Damit kann der Steuerrechner auch auf die zeitliche Abfolge von Pulsen des Anregungslichtstrahls und des Verhinderungslichtstrahls oder von Komponenten dieser Lichtstrahlen Einfluss nehmen.
-
Die Strahlformungsmittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung können ein von dem Steuerrechner ansteuerbares Polarisationsdrehungsmittel aufweisen. Mit diesem Polarisationsdrehungsmittel können Polarisationsdrehungen des kombinierten Lichtstrahls, insbesondere des darin enthaltenen Verhinderungslichtstrahls, durch das Lichtmikroskop und dessen Komponenten, insbesondere durch das Objektiv des Lichtmikroskops, kompensiert werden. Derartige Polarisationsdrehungen, insbesondere verschiedene Polarisationsdrehungen durch verschiedene Objektive, aber auch durch verschiedene Probensubstrate mit polarisationsverändernden Eigenschaften können die Ausbildung eines Intensitätsminimums mit gegen Null gehender Restintensität des Fluoreszenzverhinderungslichts be- oder gar verhindern. Mit dem von dem Steuerrechner ansteuerbaren Polarisationsdrehungsmittel lassen sich solche Polarisationsdrehungen aber vielfach so kompensieren, dass der fokussierte Verhinderungslichtstrahl die gewünschte Intensitätsverteilung des Fluoreszenzverhinderungslichts ausbildet.
-
Konkret kann das Polarisationsdrehungsmittel motorisch dreh- und/oder kippbar an der tragenden Struktur gelagert sein, wobei sein Motor über einen entsprechenden Treiber, der in dem Versorgungsmodul angeordnet sein kann, von dem Steuerrechner angesteuert wird.
-
Auch die Auskopplungsmittel können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in gegenüber dem Gegenstück definierten Positionen und Ausrichtungen an der tragenden Struktur des Scannerkopfs gelagert sein. Vorzugsweise sind die Auskopplungsmittel dabei zwischen dem Scanner und den Strahlformungsmitteln angeordnet, so dass das aus der Probe emittierte Fluoreszenzlicht zwar von dem Scanner "entscannt" wird, aber nicht von den Strahlformungsmitteln beeinflusst wird.
-
Zur Durchführung der bereits angesprochenen Mehrfarben-STED-Mikroskopie kann der Detektor mehrere Teildetektoren für Fluoreszenzlicht verschiedener Wellenlängen aufweisen. Damit ist es möglich, zwischen verschiedenen Fluorophoren nicht nur aufgrund ihrer Anregung durch Fluoreszenzanregungslicht unterschiedlicher Wellenlängen zu unterscheiden sondern auch aufgrund von emittiertem Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Wellenlängen. Wenn der Detektor mehrere Teildetektoren für Fluoreszenzlicht verschiedener Wellenlängen ausweist, ist es bevorzugt, wenn wellenlängenselektive Verzweigungsmittel zwischen den Auskopplungsmitteln und den Teildetektoren angeordnet sind, die das Fluoreszenzlicht je nach Wellenlänge entweder dem einen oder dem anderen Teildetektor zuführen.
-
Diese Verzweigungsmittel können in gegenüber dem Gegenstück definierten Positionen und Ausrichtungen an der tragenden Struktur gelagert sein. Wenn das Fluoreszenzlicht entsprechend schon an der tragenden Struktur in Komponenten verschiedener Wellenlängen aufgeteilt wird und die Teildetektoren für die verschiedenen Komponenten in dem Versorgungsmodul angeordnet sind, sind die verschiedenen Komponenten mit verschiedenen Lichtleitern zu den Teildetektoren zu leiten.
-
Vorzugsweise weist der Scanner der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2n Drehspiegel auf, wobei n die Anzahl der Richtungen ist, in denen der Scanner die Probe abtastet. Wenn dann jeder der Drehspiegel einen Drehantrieb aufweist, der unabhängig von den anderen Drehantrieben von dem Steuerrechner ansteuerbar ist, kann mit dem Scanner der kombinierte Lichtstrahl nicht nur irgendwie sondern um einen an das jeweilige Lichtmikroskop und insbesondere dessen Objektiv angepassten virtuellen Punkt verkippt werden. Insbesondere kann damit der kombinierte Lichtstrahl zum Abtasten der Probe um den Mittelpunkt einer Pupille des Objektivs verkippt werden, um optimale optische Bedingungen für das Ausbilden des Intensitätsminimums des Fluoreszenzverhinderungslichts beim Abtasten der Probe mit dem fokussierten kombinierten Lichtstrahl einzuhalten.
-
Der Scanner der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die 2n Drehspiegel eine Messstellung aufweisen, in der mindestens zwei der 2n Drehspiegel den kombinierten Lichtstrahl zu einem an der tragenden Struktur gelagerten Messsensor umlenken, um die Intensität des kombinierten Lichtstrahls oder einer seiner Komponenten zu erfassen.
-
An der tragenden Struktur kann ein Steuerleitungsanschluss für eine Steuerleitung zum Anschließen des Scanners an den Steuerrechner bzw. an dem Steuerrechner nachgeschaltete Treiber in dem Versorgungsmodul gelagert sein.
-
Vorzugsweise ist das Gegenstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung so ausgebildet, dass es zu einem Kameraanschluss oder einem anderen vollkorrigierten und/oder normierten Anschluss des Lichtmikroskops passt und an diesen Anschluss des Lichtmikroskops festlegbar ist. Gegenüber einem solchen Anschluss ist zum Beispiel die Lage einer Bildebene des Objektivs des Lichtmikroskops eindeutig definiert. Konkret kann der entsprechende Anschluss des Lichtmikroskops ein sogenannter C-Mount sein, an den das Gegenstück in grundsätzlich bekannter Weise mechanisch angepasst sein kann.
-
Vorzugsweise sind alle an der tragenden Struktur gelagerten Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in oder an einem Gehäuse angeordnet, das diese Bestandteile optisch und gegen Verunreinigungen abschirmt und beim Handling der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch gegenüber ungewollten Veränderungen ihrer Position und Ausrichtung an der tragenden Struktur schützt. Das Gehäuse kann selbst Teil der tragenden Struktur sein. Maximale Abmessungen des Gehäuses in Richtung einer optischen Achse des Gegenstücks und senkrecht dazu können vergleichsweise kompakt sein und nicht mehr als 25 cm oder auch nicht mehr als 20 cm betragen. Weiterhin kann eine Gesamtmasse des Gegenstücks, der tragenden Struktur und aller daran in gegenüber dem Gegenstück definierten Positionen und Ausrichtungen gelagerten Bestandteile der Vorrichtung vergleichsweise klein sein und zum Beispiel nicht mehr als 1,5 kg oder sogar nicht mehr als 1,2 kg betragen. Eine solche Gesamtmasse geht nicht über die Masse einer schwereren Kamera zum Anschluss an den Kameraanschluss eines Lichtmikroskops hinaus und kann entsprechend von einem solchen Kameraanschluss problemlos mechanisch abgestützt werden.
-
Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen von dem Steuerrechner bezüglich seiner Höhe ansteuerbaren, in eine Probenhalterung des Lichtmikroskops integrierbaren Probenpositionierer umfassen. Dieser Probenpositionierer kann insbesondere zwischen dem Probentisch des Lichtmikroskops und dem jeweiligen Probensubstrat angeordnet werden. Konkret kann der Probenpositionierer ein von dem Steuerrechner über einen Piezotreiber ansteuerbares Piezoelement aufweisen. Dieser Piezotreiber ist dann vorzugsweise zusammen mit dem Steuerrechner in dem Versorgungsmodul angeordnet.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Schutzansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Gebrauchsmusters Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Schutzansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Schutzansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
-
Die in den Schutzansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Laser die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Laser, zwei Laser oder mehr Laser vorhanden sind. Die in den Schutzansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der jeweilige Gegenstand aufweist.
-
Die in den Schutzansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Schutzansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Schutzansprüche leichter verständlich zu machen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter erläutert und beschrieben.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufrüsten eines Lichtmikroskops zu einem STED-Mikroskop zusammen mit dem Lichtmikroskop und einem Hostrechner.
-
2 illustriert den inneren Aufbau eines Scannerkopfs der Vorrichtung gemäß 1.
-
3 illustriert schematisch ein einen Steuerrechner umfassendes Versorgungsmodul der Vorrichtung gemäß 1.
-
4 ist ein Blockdiagramm der Steuerarchitektur des Versorgungsmoduls gemäß 3 und
-
5 illustriert ein eine Anregungslichtquelle und eine Verhinderungslichtquelle umfasstes Untermodul der des Versorgungsmoduls gemäß 3.
-
FIGURENBESCHREIBUNG
-
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 umfasst einen Scannerkopf 2, ein Versorgungsmodul 3 und einen Probenpositionierer 4. Der Scannerkopf 2 ist mechanisch an einen Kameraanschluss 5 eines Lichtmikroskops 6 angeschlossen. Der Scannerkopf 2 steht mit dem Versorgungsmodul 3 über einen in einem Kabelmantel 7 angeschlossenen Leitungsstrang 8 in Verbindung. Der Probenpositionierer 4, der auf einem Piezoelement basiert, ist mit dem Versorgungsmodul 3 über eine Steuerleitung 9 verbunden. Ein Benutzer des mit der Vorrichtung 1 zu einem STED-Mikroskop aufgerüsteten Lichtmikroskops 6 steuert das STED-Mikroskop über einen Hostrechner 10. Der Hostrechner 10 öffnet über eine Datenverbindung 11 eine Webanwendung, die auf einem Steuerrechner in dem Versorgungsmodul 3 installiert ist und als Benutzerschnittstelle für das Eingeben von Steuerbefehlen und das Ausgeben von Bilddaten in das beziehungsweise von dem STED-Mikroskop dient. Dieses Öffnen der Webanwendung erfolgt von dem Hostcomputer 10 aus über einen Webbrowser. Der Scannerkopf 2 weist zu dem Kameraanschluss 5 ein Gegenstück 12 auf und ist mit diesem Gegenstück 12 an dem Kameraanschluss 5 festgelegt.
-
Dabei umfasst der Scannerkopf 2 eine an dem Gegenstück 12 festliegende tragende Struktur, beispielsweise in Form einer lokalen und verzweigten optischen Bank, an der die einzelnen Bestandteile des Scannerkopfs 2 in gegenüber dem Gegenstück 12 definierter Position und Orientierung gelagert sind. Die an dieser tragenden Struktur gelagerten Bestandteile des Scannerkopfs 2 sind in einem Gehäuse 13 eingeschlossen. 2 zeigt diese Bestandteile zusammen mit dem Gegenstück 12 aber ohne separate Darstellung der tragenden Struktur. Teil des in 1 gezeigten Leiterstrangs 8 ist eine polarisationserhaltende optische Faser 14, die an einen Lichtleiteranschluss 15 angeschlossen ist. Ein aus der optischen Faser 14 austretender kombinierter Lichtstrahl 16 umfasst einen Anregungslichtstrahl und einen Verhinderungslichtstrahl. Der kombinierte Lichtstrahl 16 tritt zunächst durch eine Linse 17 hindurch. Der bis dahin linear polarisierte kombinierte Lichtstrahl 16 wird mit einer λ/4-Platte 18 zirkular polarisiert. Durch eine segmentierte Phasenplatte 19 wird anschließend selektiv der Verhinderungslichtstrahl 19 so geformt, dass er beim Fokussieren durch das jeweilige Objektiv 20 des Lichtmikroskops 6 gemäß 1 am Intensitätsmaximum von Fluoreszenzanregungslichts des Anregungslichtstrahls ein Intensitätsminimum ausbildet, das von Intensitätsmaxima seines Fluoreszenzverhinderungslichts umgeben ist. Mit einer verkippbaren, doppelbrechenden Platte 21 werden nachfolgende Polarisationsdrehungen durch nachfolgende optische Elemente, die der Ausbildung des Intensitätsminimums des Fluoreszenzverhinderungslichts mit einer gegen null gehenden Restintensität des Fluoreszenzverhinderungslichts entgegenstehen, vorab kompensiert. Dann tritt der kombinierte Lichtstrahl 16 durch einen dichroitischen Strahlteiler 22 und eine Linse 23 hindurch, bevor er von einem Scanner 24 in Form eines sogenannten Quad-Scanners mit vier Drehspiegeln 25 zum Abtasten einer Probe abgelenkt wird. Der Scanner 24 ist hier so ausgeführt, dass der einfallende kombinierte Lichtstrahl 16 in einer Messstellung der Drehspiegel 25 auf einen Messsensor 26 abgelenkt wird, um seine Intensität zu erfassen. Nach dem Scanner 24 tritt der kombinierte Lichtstrahl 16 aus dem Gegenstück 12 in den hier nicht dargestellten Kameraanschluss 5 des Lichtmikroskops 6 gemäß 1 über.
-
In umgekehrter Richtung zu dem Lichtstrahl 16 durch den Kameraanschluss 5 in das Gegenstück 12 gelangendes Fluoreszenzlicht 27 tritt zunächst durch den Scanner 24 hindurch, der es "entscannt", und gelangt dann durch die Linse 23 zu dem dichroitischen Strahlteiler 22. Der dichroitische Strahlteiler 22 lenkt das Fluoreszenzlicht 27 zu einem Spiegel 28 hin ab. Durch ein wellenlängenselektives Filter 29 gelangt das Fluoreszenzlicht 27 zu einem verschwenkbaren Spiegel 30. Das abgelenkte Fluoreszenzlicht 27 wird von einem dichroitischen Stahlteiler 31 in zwei Komponenten 27' und 27" unterschiedlicher Wellenlängen aufgeteilt. Die Komponente 27' gelangt durch zwei weitere wellenlängenselektive Filter 32, über einen verschwenkbaren Spiegel 33 und durch eine Linse 34 zu einem Lichtleiteranschluss 35, an den eine Multi Mode-Faser 36 als Lichtleiter für die Komponente 27' angeschlossen ist. Die andere Komponente 27" gelangt durch ein wellenlängenselektives Filter 37 und eine Linse 38 zu einem Lichtleiteranschluss 39, an den eine zweite Multi Mode-Faser 40 für die andere Komponente 27" angeschlossen ist. Die Multi Mode-Fasern 36 und 40 gehören wie die polarisationserhaltende optische Faser 14 zu dem Leiterstrang 8, der gemäß 1 zwischen dem Scannerkopf und der Versorgungseinheit 3 verläuft. Zu diesem Leiterstrang 8 zählen auch Steuerleitungen für den Scanner 24, das heißt für Drehantriebe der Drehspiegel 25 des Scanners 24 und einen motorischen Antrieb der verschwenkbaren doppelbrechenden Platte 21. Wenn auch die Spiegel 30 und 33 motorisch verschwenkbar sind, gehören auch entsprechende Steuerleitungen zu deren Drehantrieben zu dem Leiterstrang 8.
-
3 illustriert schematisch das Versorgungsmodul 3. In das Versorgungsmodul 3 tritt der Leiterstrang 8 ein. Weiter ist die Steuerleitung 9 angeschlossen. Zudem sind eine Versorgungsleitung 41 für Wechselstrom, ein Netzwerkkabel 42 und eine herausführende Leitung 43 für Interlocksignale vorgesehen. Der Leiterstrang 8 verzweigt zu vier Treibern 44 für die vier Drehantriebe der vier Drehspiegel 25 des Scanners 24. Weiter zweigen die Multi-Mode-Fasern 36 und 40 zu zwei Teildetektoren 45 eines Detektors 46 für das Fluoreszenzlicht ab, wobei jeder Teildetektor 45 in Form einer Avalanchefotodiode für Fluoreszenzlicht eines bestimmten Wellenlängenbereichs vorgesehen ist. Weiter verzweigt der Leiterstrang zu analogen Ein- und Ausgängen 48 bzw. 49. Letztlich tritt die polarisationserhaltende Faser 14 aus, die zu einem Untermodul 50 führt, welches anhand von 5 näher erläutert werden wird. Dieses Untermodul 50 wird von dem Steuerrechner 51 gesteuert. Der Steuerrechner 51 steuert auch einen Piezotreiber 52 an, an den die Steuerleitung 9 angeschlossen ist. Die Versorgungsleitung 41 führt zu einem Netzteil 53 mit AC/DC-Wandlung. An den Gleichspannungsausgang des Netzteils 53 ist eine Spannungsversorgung 55 mit DC/DC-Wandlung angeschlossen. Die Spannungsversorgung 55 versorgt den Steuerrechner 51 und eine Kühlung 54 mit elektrischer Leistung. Der Steuerrechner 51 umfasst als zentrale Steuereinheit ein System On a Module 58 sowie verschiedene Schnittstellen 56 und einen Radiofrequenzsynthesizer 57. Ein Ausgangssignal 59 des Radiofrequenzsynthesizer 57 dient über einen Komparator 60 zur Ansteuerung des Untermoduls 50.
-
4 erläutert die Funktion der auf dem System On a Module 58 basierenden Steuerung der Vorrichtung 1. Das System On a Module 58 umfasst ein FPGA 61 und eine CPU 62, die CPU 62 wiederum umfasst einen Fileserver 63 und einen Webserver 64. Über den Webserver 64 erfolgt die Fernsteuerung der Vorrichtung 1 über den Hostrechner 10 von dessen Webschnittstelle 65. Dabei werden über die Datenverbindung 11 auch Bilddaten übertragen, die zudem auf einer SD-Karte 66 als Massenspeicher gespeichert oder über eine USB-Schnittstelle 67 ausgelesen werden können. An das FPGA 61 können weitere externe Geräte wie beispielsweise ein Monitor 68 angeschlossen sein. Intern gibt das FPGA 61 Triggersignale 69 an das Untermodul 50 gemäß 3. Weiter steuert das FPGA die Treiber 44 und 52 an und erhält die Ausgangsignale 47 von dem Detektor 46 sowie von dem Messsensor 26 gemäß 2. Darüber hinaus sind ein externes Thermoelement als Temperatursensor 70 angeschlossen und nach außen wird auch das Ausgangssignal 59 des Radiofrequenzsynthesizer 57 über die Leitung 43 für Interlocksignale ausgegeben. Dabei kommen bedarfsweise D/A-Wandler 71, A/D-Wandler 72, eine DDS-Schnittstelle 73 und eine RS232-Schnittstelle 74 zur Anwendung.
-
Das in 5 dargestellte Untermodul 50 umfasst eine Anregungslichtquelle 75 und eine Verhinderungslichtquelle 76. Die Anregungslichtquelle 75 umfasst drei Teillichtquellen 77 für Anregungslicht unterschiedlicher Wellenlängen von beispielsweise 450 nm, 561 nm und 640 nm. Mit Hilfe eines verschwenkbaren Spiegels 78 und zwei verschwenkbaren dichroitischen Strahlteilern 79 und 80 wird das Anregungslicht 81 von den verschiedenen Teillichtquellen 77 zu dem Anregungslichtstrahl 82 zusammengeführt. Das Verschwenken des Spiegels 78 und der dichroitischen Strahlteilern 79 und 80 kann dazu genutzt werden, die Zusammensetzung des Anregungslichtstrahls 82 einzustellen beziehungsweise Pulse des Anregungslichtstrahls 82 zu formen. Der Anregungslichtstrahl 82 tritt dann durch eine ebenfalls verschwenkbare λ/2-Platte 83 sowie einen verschwenkbaren dichroitischen Strahlteiler 84 hindurch. Der dichroitische Strahlteiler 84 gehört zu Zusammenführungsmitteln, die den Anregungslichtstrahl 82 mit dem Verhinderungslichtstrahl 85 aus Fluoreszenzverhinderungslicht 86 von der Verhinderungslichtquelle 76 zu dem kombinierten Lichtstrahl 16 zusammenführen. Der kombinierte Lichtstrahl 16 tritt dann durch ein akustooptisch abstimmbares Filter (AOTF) 87 hindurch. Anschließend trifft der kombinierte Lichtstrahl 16 auf einen verschwenkbaren Spiegel 88, mit dem der kombinierte Lichtstrahl 16 zwischen gewünschten Pulsen in eine Strahlfalle 89 abgelenkt werden kann. Ansonsten tritt er durch eine Linse 90 hindurch in einen Lichtleiteranschluss 91 und dort in die polarisationserhaltende Faser 14 ein. Die Strahlfalle 89, die Linse 90, der Lichtleiteranschluss 91 und ein Faserhalter 92 sind auf einer optischen Bank 93 angeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Scannerkopf
- 3
- Versorgungsmodul
- 4
- Probenpositionierer
- 5
- Kameraanschluss
- 6
- Lichtmikroskop
- 7
- Kabelmantel
- 8
- Leiterstrang
- 9
- Steuerleitung
- 10
- Hostrechner
- 11
- Datenverbindung
- 12
- Gegenstück
- 13
- Gehäuse
- 14
- polarisationserhaltende optische Faser
- 15
- Lichtleiteranschluss
- 16
- kombinierter Lichtstrahl
- 17
- Linse
- 18
- λ/4-Platte
- 19
- segmentierte Phasenplatte
- 20
- Objektiv
- 21
- doppeltbrechende Platte
- 22
- dichroitischer Strahlteiler
- 23
- Linse
- 24
- Scanner
- 25
- Drehspiegel
- 26
- Messsensor
- 27
- Fluoreszenzlicht
- 28
- Spiegel
- 29
- Filter
- 30
- Spiegel
- 31
- dichroitischer Strahlteiler
- 32
- Filter
- 33
- Spiegel
- 34
- Linse
- 35
- Lichtleiteranschluss
- 36
- Multi-Mode-Faser
- 37
- Filter
- 38
- Linse
- 39
- Lichtleiteranschluss
- 40
- Multi-Mode-Faser
- 41
- Versorgungsleitung
- 42
- Netzwerkleitung
- 43
- Interlockeingang
- 44
- Treiber für Drehantrieb des Scanners 24
- 45
- Teildetektor
- 46
- Detektor
- 47
- Ausgangssignal
- 48
- analoger Eingang
- 49
- analoger Ausgang
- 50
- Submodul
- 51
- Steuerrechner
- 52
- Piezotreiber
- 53
- Versorgung
- 54
- Kühlung
- 55
- Spannungsversorgung
- 56
- Schnittstelle
- 57
- Radiofrequenzsynthesizer
- 58
- System On a Module
- 59
- Radiofrequenzsignal
- 60
- Komparator
- 61
- FPGA
- 62
- CPU
- 63
- Fileserver
- 64
- Webserver
- 65
- Webschnittstelle
- 66
- SD-Karte
- 67
- USB-Anschluss
- 68
- Monitor
- 69
- Triggersignal
- 70
- Temperatursensor
- 71
- Digitalanalogwandler
- 72
- Analogdigitalwandler
- 73
- DDS-Schnittstelle
- 74
- RS232-Schnittstelle
- 75
- Anregungslichtquelle
- 76
- Verhinderungslichtquelle
- 77
- Teillichtquelle
- 78
- Spiegel
- 79
- dichroitischer Strahlteiler
- 80
- dichroitischer Strahlteiler
- 81
- Anregungslicht
- 82
- Anregungslichtstrahl
- 83
- λ/2-Platte
- 84
- dichroitischer Strahlteiler
- 85
- Verhinderungslichtstrahl
- 86
- Fluoreszenzverhinderungslicht
- 87
- AOTF
- 88
- Spiegel
- 89
- Strahlfalle
- 90
- Linse
- 91
- Lichtleiteranschluss
- 92
- Faserhalter
- 93
- optische Bank
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Görlitz et al.: A STED Microscope Designed for Routine Biomedical Applications, Progress In Electromagnetics Research, Vol. 147, 2014 [0005]
