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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein konfokale Mikroskopie und
im spezielleren ein konfokales Rastermikroskop, das mit sichtbarem
und UV-Licht einsetzbar ist.
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Fluoreszenzlicht-Mikroskopie
findet in der biologischen Forschung und medizinischen Diagnose
weitverbreitet Anwendung. Es sorgt für die Selektivität, die notwendig
ist, damit spezifische Komponenten einer Zelle oder von Gewebe sichtbar
gemacht werden können
und die räumliche
Organisation solcher Komponenten bestimmt werden kann. Konfokale
Mikroskopie arbeitet so, daß diese
Beleuchtung und Detektion auf einen einzigen Punkt in der Probe
beschränkt
wird. Das wird typischerweise unter Verwendung räumlicher Filter (üblicherweise
Stiftlöcher)
in den optischen Wegen des Objektivs und des Kondensors erreicht,
und ein vollständiges
Bild wird aufgebaut, indem nacheinander alle Punkte im Sichtfeld
abgetastet werden.
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Ein
spezielles konfokales Mikroskop wird im
U.S.-Patent Nr. 5.032.720 gezeigt.
Das Mikroskop erzeugt einen kleinen (vorzugsweise beugungsbegrenzten)
Punkt auf einer Probe, tastet den Punkt über die Probe in einem Rastermuster
ab und erzeugt ein elektrisches Signal, das zur Intensität von Licht
proportional ist, das aus dem Bereich des Punkts austritt und gesammelt
wird. Das elektrische Signal wird zu einem Computer übermittelt,
der eine visuelle Anzeige auf dem Monitor erzeugen kann.
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Der
optische Zug zwischen der Quelle (oder dem Detektor) und der Probe
umfaßt
eine Fokussierungsoptik, um den Punkt zu bilden, und Abtastelemente,
um den Strahl in zwei orthogonale Richtungen abzutasten, um das
Rastermuster auf der Probe zu bilden. Das aus der Probe austretende
Licht geht einen Rückweg
entlang zu einem Detektor, der das elektrische Signal erzeugt. Eine Öffnung in
Form einer Irisblende ist vor dem Detektor angeordnet und blockiert
Licht, das aus Punkten ausstrahlt, die räumlich vom Strahlenpunkt versetzt sind.
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Zubehör für ein konfokales
Mikroskop zur Verwendung in Kombination mit einem herkömmlichen
Mikroskop wird unter dem Markennamen MRC-500 und MrC-500 von Bio-Rad
Laboratories, Inc., Hercules, CA, USA, verkauft. Das resultierende
konfokale Mikroskop stellt einen sichtbaren Erregerstrahl bereit
und erfühlt Fluoreszenz
im sichtbaren Strahl.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein konfokales Rastermikroskop bereit,
das fähig
ist, für
UV-Erregung zu sorgen; selbiges ist auch der
US-A-4893008 zu entnehmen.
Gemäß vorliegender
Erfindung korrigiert der optische Zug jedoch im wesentlichen Abtast-
und Fokussierungsfehler über
den Wellenlängenbereich,
der UV- und sichtbare Wellenlängen
umfaßt.
Achromatische Korrektur an sich ist bekannt – siehe beispielsweise
US-A-3598471 .
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Kurz
zusammengefaßt
umfaßt
das konfokale Rastermikroskop gemäß vorliegender Erfindung eine UV-Erregerquelle
und UV-durchlässige
Abtast- und Abbildungsoptik. Das UV-Licht wird einen Hinweg entlang gelenkt
und zu einem kleinen Punkt in einer Probenebene fokussiert. Aus
dem Bereich des Punktes ausstrahlendes Licht wird einen Rückweg entlang
gelenkt und detektiert. Licht, das aus Stellen ausstrahlt, die aus
dem Punkt räumlich
verschoben sind, wird von der Detektoröffnung abgewiesen. Der Strahlenpunkt
wird im Rastermuster über
die Probe abgetastet. Wenn das zurückkehrende Licht sichtbar ist
(wie beispielsweise, wenn es erwünscht
ist, sichtbare Fluoreszenz zu detektieren,) wird der optische Zug
sowohl für
sichtbares als auch für UV-Licht
konfokal gemacht. Das ermöglicht
es auch, für
gleichzeitige Erregung im UV- und
im sichtbaren Bereich zu sorgen.
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Um
das zu erreichen, werden die Linsen im gemeinsamen Wegabschnitt
des optischen Zugs bezüglich
chromatisch herbeigeführter
Abtastfehler korrigiert. Eine UV-Linse ist im UV-Hinweg vorgesehen,
um Fokussierungsfehler aufgrund longitudinaler chromatischer (sichtbarer/UV-)
Aberration auszugleichen. Zu diesem Zweck können Extra-Linsen in dem UV-Hinweg
vorgesehen sein. Das Trennen der Korrektur von Abtastfehlern und
Fokussierungsfehlern macht es einfach, verschiedene Objektive unterzubringen,
bei denen der Grad der longitudinalen chromatischen Aberration variiert.
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Ein
weiteres Verständnis
der Beschaffenheit und der Vorteile der
vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die weiteren Abschnitte
der Beschreibung und der Zeichnungen gewonnen werden, in denen:
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die 1A und 1B vereinfachte
optische Schemata eines konfokalen Mikroskops nach dem Stand der
Technik sind;
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1C eine
optische Skizze ist, die den richtigen konfokalen Betrieb zeigt;
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2 ein
vereinfachtes optisches Schema einer invertierenden Mikroskop-Ausführungsform
(d. h. ein Mikroskop mit umgekehrter Darstellung der Objekte) gemäß vorliegender
Erfindung ist;
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die 3 und 4 optische
Schemata eines Okulars erster Generation und einer Adapterlinse
für die
invertierende Ausführungsform
des Mikroskops sind;
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5 ein
optisches Schema eines Okulars erster Generation für eine aufrechte
Mikroskop-Ausführungsform
(d. h. ein Mikroskop mit aufrechter Darstellung der Objekte) gemäß vorliegender
Erfindung ist;
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6 ein
optisches Schema eines 6,25-fach-Okulars zweiter Generation für die invertierende
Ausführungsform
des Mikroskops ist;
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die 7A und 7B optische
Schemata eines 8-fach-Okulars zweiter Generation und einer Adapterlinse
für die
invertierende Ausführungsform
des Mikroskops sind;
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8 ein
optisches Schema eines 8-fach-Okulars zweiter Generation für die aufrechte
Ausführungsform
des Mikroskops ist;
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die 9A–E optische
Skizzen sind, die die Wirkung und die Korrektur von Fokussierungsfehlern
veranschaulichen;
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die 10A–C
optische Skizzen sind, die die Wirkung und Korrektur von Abtastfehlern
veranschaulichen;
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11 Diagramme
zeigt, die die Wirkung und Korrektur von Feldkrümmung veranschaulichen
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die 12A–C
Diagramme sind, die die Wirkung und Korrektur von Feldkrümmung und
Vergrößerungsfehlern
veranschaulichen; und
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die 13A und 13B Diagramme
der Intensität über das
Feld zeigen.
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Visuelles konfokales Mikroskop nach dem
Stand der Technik
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1A ist
ein vereinfachtes optisches Schema eines konfokalen Rastermikroskops 10 nach
dem Stand der Technik. Das spezielle, hier erörterte konfokale Mikroskop
nach dem Stand der Technik und das konfokale Mikroskop, wie gemäß vorliegender
Erfindung modifiziert, ist ein Bio-Rad MRC-600-Zusatzgerät, das in Kombination
mit einem herkömmlichen
Mikroskop verwendet wird. Der Begriff ”Mikroskop” wird typischerweise so verwendet,
daß damit
das konfokale Rastermikroskop gemeint ist, das aus dieser Kombination
resultiert.
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Das
Mikroskop arbeitet so, daß es
einen sichtbaren Lichtstrahl zu einem Punkt in einer Probenebene 15 fokussiert
und Licht (reflektiertes Licht und Fluoreszenz) detektiert, das
aus dem Punkt in der Probenebene ausstrahlt. Zu diesem Zweck umfaßt das Mikroskop
eine Quelle 20 sichtbaren Lichts, wie einen Argonionenlaser,
dessen Strahl entlang eines Hinwegs durch einen optischen Zug gelenkt
wird, der einen Strahlenspalter 22, eine Abtastoptik 25,
ein Okular 27, eine Adapterlinse 30 eine Unendlichkeitskorrekturlinse 32 (die
als Telonlinse 32 bezeichnet wird) und ein Objektiv 35 umfaßt. Der
Strahlenspalter 22 besteht aus einem dichroitischen Material,
das den sichtbaren Erregerstrahl reflektiert, aber Licht im Bereich
der Wellenlängen,
die für
die Fluoreszenz von der Probe charakteristisch sind, durchläßt. Das
Objektiv und das Okular fokussieren den Strahl, so daß nominal
ein kleiner Punkt in der Probenebene gebildet wird.
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Aus
dem Bereich des Punktes austretendes Licht wandert einen Rückweg entlang,
bis es den Strahlenspalter 22 erreicht, durch den es hindurchgeht
und zu einem Detektor 37a, wie einer Elektronenvervielfacherröhre (PMT)
gelenkt wird. Eine Öffnung 40a,
vorzugsweise eine Irisblende (variabler Durchmesser 0,7–7,0 mm),
ist vor dem Detektor angeordnet. Ein dichroitischer Strahlenspalter 42 kann
im ausschließlichen
Rückweg
angeordnet sein, um Licht in einem Wellenlängenbereich zum Detektor 37a und
Licht in einem anderen Wellenlängenbereich
zu einem zweiten Detektor 37b und einer zugeordneten Öffnung 40b zu
lenken.
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Der
optische Weg von der Abtastoptikanordnung zum Detektor ist durch
eine Anzahl von Umlenk-Planspiegeln gefaltet, um für eine relativ
lange Weglänge
zu sorgen. Die Abtastoptik umfaßt
ein Paar durch Galvanometer angetriebene Planspiegel mit Relaisoptik,
vorzugsweise ein Paar einander zugewandter konkaver Spiegel dazwischen.
Der erste Abstastspiegel tastet den Strahl in einer Ebene senkrecht
zu jener der Figur ab, während
der zweite Abtastspiegel den Strahl in der Ebene der Figur abtastet.
Im Schema wird nur der zweite Abtastspiegel gezeigt.
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Der
letzte Abtastspiegel ist nahe der vorderen Fokalebene des Okulars
angeordnet, so daß die
Strahlen unabhängig
vom Abtastwinkel im allgemeinen parallel zur optischen Achse vom
Okular zur Adapterlinse wandern. Der ausgerichtete Laserstrahl ist
zur hinteren Fokalebene des Okulars fokussiert; das Mikroskop ist so
in bezug auf die konfokale Zusatzeinrichtung angeordnet, daß die vordere
Fokalebene der Adapterlinse mit der hinteren Fokalebene des Okulars
zusammenfällt.
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Die
im speziellen dargestellte Ausführungsform
dient für
ein invertierendes Mikroskop, wo der optische Weg zwischen dem Okular
und dem Objektiv länger
ist als die Distanz, für
die die Okulare und Objektive normalerweise konstruiert sind. Eine
zusätzliche
Detailansicht wird in 1B gezeigt. Die meisten Objektive
sind so korrigiert, daß sie
hereinkommendes Licht so aufnehmen, als käme es von einer 160 mm entfernten
Punktquelle. Die Telonlinse 32 kooperiert mit dem Objektiv,
so daß die
Kombination aus den beiden bezüglich
hereinkommenden parallelen Lichts korrigiert wird (d. h. unendlich
korrigiert wird). Auf komplementäre
Weise kooperiert die Adapterlinse (die im wesentlichen ein 160 mm
Achromat ist) mit dem Okular, um paralleles Licht bereitzustellen.
So arbeiten die Adapterlinse 30 und die Telonlinse 32 als
eine Art einer Relaisoptik zusammen. Bei einer aufrechten Mikroskop-Ausführungsform
(nicht dargestellt) fehlen die Adapterlinse und die Telonlinse.
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Es
ist manchmal zweckmäßig, die
stromauf gelegenen Elemente (Okular und möglicherweise Adapterlinse)
als Einheit zu betrachten und die stromab gelegenen Elemente (möglicherweise
Telonlinse und Objektiv) als Einheit zu betrachten. Die Verwendung
eines Okulars, eines langen Rückwegs
und eines parallelgerichteten zurückführenden Strahls ermöglicht es,
einen konfokalen Betrieb ohne räumliche
Stiftloch-Filter zu erreichen.
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Für die Erörterung
ist es zweckmäßig, die
optischen Wege in eine Anzahl von Segmenten zu unterteilen. Der
Begriff ”Nur-Hinweg” bezeichnet
das Wegsegment von der Lichtquelle zum Strahlenspalter 22, über das
nur Erregungslicht geht. Der Begriff ”gemeinsames Wegsegment” bezeichnet
das Wegsegment zwischen dem Strahlenspalter und der Probenebene, über das
Licht in beide Richtungen geht. Der Begriff ”Nur-Rückweg” bezeichnet das Wegsegment
zwischen dem Strahlenspalter und dem Detektor, über das nur Licht geht, das
von der Probe zurückkehrt.
Mit der Bezeichnung Vorderfläche
einer Linse ist jene Oberfläche
gemeint, auf die das Licht auf dem Hinweg zuerst auftrifft, während mit
Rückfläche jene
Oberfläche
gemeint ist, auf die das Licht auf dem Rückweg zuerst auftrifft.
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Konfokaler Betrieb
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1C zeigt,
wie Licht, das aus dem Bereich des Strahlenpunktes in Probenebene 15 ausgesandt wird,
durch das optische System den Rückweg
entlang geht und zum Detektor gelangt. Die Figur zeigt auch, wie
Licht, das aus Punkten in einem Paar Ebenen 15u und 15d divergiert,
die stromauf bzw. stromab von der Probenebene versetzt sind, von
der. Öffnung
abgewiesen wird. Die Probenebene 15 ist als durchgehende
Linie gezeichnet, und das aus einem Punkt in Ebene 15 ausgesandte
Licht ist als durchgehende Linien gezeigt. Die Ebenen 15u und 15d sind
als zwei unterschiedlich strichlierte Linien gezeichnet, und das
aus diesen Ebenen austretende Licht ist entsprechend gezeichnet.
Wie zu sehen ist, wird das aus der stromab gelegenen Ebene 15d austretende
Licht durch die Linsen neu fokussiert und divergiert, während das
aus der stromauf gelegenen Ebene 15u austretende Licht
divergiert, wenn es die Linsen verläßt. In beiden Fällen divergieren
die Strahlen bereits stark, wenn sie die Öffnungsebene erreichen, und
werden von der Öffnung
weitgehend zurückgewiesen.
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Die
obige Beschreibung bedarf einer kleinen Ergänzung. In dem Ausmaß, in dem
Licht aus der Probenebene durch die Optik parallelgerichtet ist,
wird Licht, das aus einer Ebene ein wenig stromab (nicht so weit stromab
wie Ebene 15d) austritt, tatsächlich in die Öffnung fokussiert.
Das bedeutet, daß das
den Detektor erreichende Licht eine kleine Komponente umfaßt, die
mit dem Erregungslicht nicht konfokal ist. Die Wirkung kann vermieden
werden, indem eine lange Linse (beispielsweise 1.000 mm) im Nur-Rückweg angeordnet wird, so daß sie den
parallelgerichteten (konfokalen) Strahl in die Öffnung fokussiert und bewirkt,
daß das
von etwas stromab kommende Licht divergiert, wenn es die Öffnung erreicht.
Das wird nachstehend detaillierter erörtert.
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Konfokale UV-Mikroskop-Ausführungsformen
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2 ist
ein vereinfachtes optisches Schema eines konfokalen Mikroskops 50,
das gemäß vorliegender
Erfindung so modifiziert ist, daß für die Erregung sowohl sichtbares als
auch UV-Licht verwendet werden können.
Elemente, die jenen in 1A gleichen, haben die gleichen
Bezugszahlen, entsprechende Elemente, die modifiziert sind, haben
apostrophierte Bezugszahlen, und Elemente, die kein Gegenstück in 1A aufweisen,
haben andere Bezugszahlen. Wie oben, ist die Ausführungsform
eines invertierenden Mikroskops dargestellt.
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Der
konfokale Betrieb, wie in Verbindung mit dem visuellen Mikroskop
nach dem Stand der Technik beschrieben, erstreckt sich nicht automatisch
in den Bereich der UV-Erregung,
um so weniger dann, wenn es erwünscht
ist, auch für
Erregung im sichtbaren Bereich zu sorgen. Das erste offensichtliche
Problem besteht darin, daß das
Okular 27 kein UV-Licht durchläßt und die Adapterlinse 30 es
nur schlecht durchläßt. Wenn
die Linsen jedoch UV-Licht durchlassen, muß eine Anzahl von Aberrationen
korrigiert werden, damit ein angemessener Betrieb erfolgen kann.
Die Konstruktionsdetails sowohl für invertierende als auch aufrechte
Mikroskope sind nachstehend beschrieben (und an entsprechender Stelle
veranschaulicht).
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Ein
UV-Laser 55 stellt einen UV-Strahl bereit, der durch einen
Strahlenkombinator 57 (der ein dichroitischer Reflektor
für sichtbares/UV-Licht
ist) mit dem sichtbaren Strahl vom sichtbaren Laser 20 kombiniert wird.
Ein (5-facher) fokussierender UV-Strahlen-Expander 60, Umlenkspiegel 62 und
eine UV-Korrekturlinse 65 sind zwischen UV-Laser 55 und
Strahlenkombinator 57 angeordnet. In dem Ausmaß, in dem
der Strahlenspalter 22 UV-Licht nicht reflektiert, muß er so
modifiziert werden, daß er
sowohl die sichtbaren als auch die UV-Laserstrahlen reflektiert,
aber die sichtbare Fluoreszenz durchläßt. Das Mikroskop wird weiters
modifiziert, indem es mit einem/einer speziell konstruierten Okular 27' und Adapterlinse 30' versehen wird,
die nachstehend beschrieben werden. Die Eigenschaften von Strahlenspalter 42 können in
Hinblick auf die zu trennenden sichtbaren Wellenlänge gewählt werden.
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Der
fokussierende UV-Strahlen-Expander 60 sorgt für eine Vergrößerung,
die es ermöglicht,
die hintere Öffnung
des Objektivs ausreichend zu füllen,
um für
maximale Auflösung
zu sorgen. Die Verwendung eines konfokalen Mikroskops verringert
die geringste detektierbare Distanz zwischen den Punkten auf das 0,707-fache
der kleinsten durch ein herkömmliches
Mikroskop detektierbaren Distanz. Der Einsatz von UV-Erregung verbessert
die Auflösung
in bezug auf jene, die mit sichtbarer Erregung erzielbar ist, aufgrund
der kürzeren
Wellenlänge.
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Ein
Expander 67 für
sichtbare Strahlen ist vorzugsweise zwischen dem sichtbaren Laser 20 und
dem Strahlen-Kombinator 57 angeordnet und sorgt für die 1,5-
bis 2-fache Vergrößerung,
wodurch es ermöglicht wird,
daß der
sichtbare Erregungsstrahl die hintere Öffnung des Objektivs füllt. Das
ist notwendig, da das UV-Okular 27' eine geringere Vergrößerung aufweist
als das sichtbare Okular 27 (etwa 6,4-fach gegenüber 8-fach).
In Anbetracht der verringerten Vergrößerung wird darauf geachtet,
den minimalen Öffnungsdurchmesser
von 0,7 mm auf 0,5 mm zu verringern.
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UV-Korrekturlinse 65 ist
vorzugsweise eine 500 mm-Linse, die das UV-Erregungslicht zu einem
Punkt vor dem Okular fokussiert, von dem aus es divergiert. Wie
oben angeführt,
ist das sichtbare Erregungslicht im allgemeinen parallelgerichtet,
bis es das Okular erreicht. Es wird dafür gesorgt, daß das UV-Licht
divergiert, um die longitudinalen chromatischen Aberrationseffekte
in den stromab gelegenen Linsenelementen zu korrigieren. Wie nachstehend
detaillierter erörtert
werden wird, gibt es chromatische Abtasteffekte, die im Okular und
der Adapterlinse korrigiert werden müssen, und ihre Korrektur macht
es tendenziell schwierig, longitudinale chromatische Aberration
ebenfalls zu korrigieren.
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Die
Position der UV-Korrekturlinse entlang der optischen Achse kann
entweder allein oder in Verbindung mit der Refokussierung des Strahlenexpanders
eingestellt werden, um eine Einstellung bezüglich der unterschiedlichen
Ausmaße
longitudinaler chromatischer Aberration in unterschiedlichen Objektiven
durchzuführen,
während
angemessenes Füllen
der hinteren Öffnung
des Objektivs beibehalten wird. Das ist eine relativ notwendige
Option, da die objektiven chromatischen Aberrationen im UV- Bereich beträchtlich
variieren und die Größen der
hinteren Öffnungen
mit unterschiedlichen Objektiven beträchtlich variieren.
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Konstruktionen von Linsen erster Generation
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Die 3 und 4 sind
optische Schemata einer Konstruktion erster Generation für Okular 27' und UV-Adapterlinse 30' für die Ausführungsform
des invertierenden Mikroskops. Die geometrischen und optischen Parameter
für diese
Linsen sind in den Tabellen 1 und 2 dargestellt. Die Oberflächen sind
entlang der Richtung der Laserstrahlen numeriert, und die Abmessungen
sind, wenn nicht anders angegeben, in mm angeführt. Die chromatische Korrektur
erfolgte in bezug auf die folgenden Konstruktions-Wellenlängen: 330
nm, 464 nm, 560 nm und 656 nm. Die Linsenkonstruktion erfolgte unter
Einsatz der Konstruktionsanalyse-Software für optische Systeme OPTEC (PC-Version), die von
SCIOPT Enterprises, San Jose, CA, USA, erhältlich ist.
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5 ist
ein optisches Schema einer Konstruktion erster Generation für das Okular,
bezeichnet mit 27'', für die Ausführungsform
eines aufrechten Mikroskops. Die geometrischen und optischen Parameter
für diese
Linse sind in Tabelle 3 dargelegt.
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Die
Konstruktionskriterien für
das Okular (allein für
die aufrechte Ausführungsform
oder in Kombination mit der Adapterlinse für die invertierende Ausführungsform)
können
wie folgt zusammengefaßt
werden. Das Okular (oder die Kombination) ist für die herkömmlichen monochromatischen
Aberrationen (sphärische
Aberration, Koma, Astigmatismus, Verzerrung) für jede Wellenlänge der
Konstruktion für
Licht, das in beide Richtungen wandert, gut korrigiert. Wie oben
angeführt,
wird der UV-Brennpunkt durch die Fokussierungslinse 65 und
den Fokussierungsstrahlenexpander 60 korrigiert, obwohl
das Okular (oder die Kombination) bezüglich der longitudinalen chromatischen
Aberration für
sichtbare Wellenlänge
konstruiert ist. Das Okular (oder die Kombination) wird jedoch chromatisch
korrigiert, um Abtastfehler zu minimieren, wie nachstehend erörtert. Die Feldkrümmung wird
minimiert und für
verschiedene Farben für
ein sichtbares Objekt in der Unendlichkeit und für ein endliches UV-Objekt übereingestimmt,
das sich 195 mm vor der Vorderfläche
des Okulars befindet. Die vordere Fokallänge ist ausreichend lange,
um zu verhindern, daß das
Okular während
der Einstellung den Abtastspiegelmotor berührt.
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Die
spezielle Linsenkonstruktion unterlag auch einer Anzahl weniger
komplexer Einschränkungen. Beispielsweise
mußten
die Gläser
erschwinglich und relativ leicht zu qualitativ hochwertigen Linsen
verarbeitbar sein. Weiters mußte
die Linse normale Labortemperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen
und das Einwirken von UV- und sichtbarer Laserstrahlung aushalten.
Quarzglas- und Kalziumfluorid wurden als Linsenmaterialien ausgewählt, weil
sie UV-Licht hindurchlassen, unter normalen Laborbedingungen einigermaßen widerstandsfähig sind,
bei längerer
UV-Lichteinwirkung
(unter 200 mW Leistung) nicht trübe
werden und ausreichend unterschiedliche Streuungseigenschaften aufweisen,
um chromatische Korrekturen mit nicht allzu schwer erreichbaren
Linsenoberflächenkrümmungen
zuzulassen.
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Bei
der Konstruktion erster Generation haben die Kalziumfluoridlinsenelemente
alle die gleiche Gestalt und sind als Lagerware von Janos Technology,
Inc., Townshend, Vermont, in der gewünschten Qualität (1% Toleranzen
auf Krümmung
und Dicke) erhältlich.
Es wurde jedoch angenommen, daß Verbesserungen
in den monochromatischen Aberrationen (mit Kosten) erreicht werden
könnten,
indem die Symmetrie-Erfordernisse an die Kalziumfluorid-Linsenelemente
erleichtert und sie nach Kundenwunsch geschliffen würden. Das
erfolgte in einer Reihe von Konstruktionen zweiter Generation.
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Linsenkonstruktionen zweiter Generation
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Es
wurde eine Anzahl von Konstruktionen zweiter Generation entwickelt,
die sich von der Konstruktion erster Generation folgendermaßen unterscheiden.
Zunächst
unterliegen sie nicht der Einschränkung, daß die Kalziumfluoridelemente
eine bestimmte Gestalt haben. Zweitens ist die Reihenfolge der letzten
beiden Elemente des Okulars umgedreht, so daß keines der Kalziumfluoridelemente
(die etwas feuchtigkeitsempfindlich sind) der Atmosphäre ausgesetzt
ist. Demgemäß ist die
Adapterlinse mit einem zusätzlichen
Quarzelement versehen, um die chromatischen Aberrationen zu reduzieren
und das Kalziumfluoridelement einzuschließen. Diese Konstruktionen zweiter
Generation umfassen 6,25-fache und 8-fache Okulare und Adapter (derselbe Adapter
für beide)
für die
Ausführungsform
eines invertierenden Mikroskops und ein 8-fach-Okular für das aufrechte
Mikroskop.
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6 ist
ein optisches Schema des 6,25-fach-Okulars für die Ausführungsform eines invertierenden Mikroskops.
Die geometrischen und optischen Parameter für diese Linse sind in Tabelle
4 dargelegt. Oberfläche 1 ist
die Position des Abtastspiegels und die vordere Fokalebene des Okulars.
Oberfläche 14 ist
die Ebene, wo das Okular den Strahl fokussiert, was der vorderen
Fokalebene der Adapterlinse entspricht (in Tabelle 4 nicht enthalten – die gleichen
Parameter wie Adapterlinse für
8-fach-Okular). Oberflächen
wie 1 und 14 sind Ebenen in Luft und sind aus Gründen der Zweckmäßigkeit
mit einem Radius von 100.000 mm angenommen.
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Die 7A und 7B sind
optische Schemata des 8-fach-Okulars und der Adapterlinse für die Ausführungsform
des invertierenden Mikroskops. Die geometrischen und Mikroskop-Parameter
für diese
Linsen sind in Tabelle 5 dargelegt. Oberfläche 1 ist die Position
des Abtastspiegels und der vorderen Fokalebene des Okulars. Oberfläche 14 ist
die Ebene, wo das Okular den Strahl fokussiert, was der vorderen
Fokalebene der Adapterlinse entspricht. Oberfläche 21 befindet sich
nahe der hinteren Objektivöffnung.
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8 ist
ein optisches Schema des 8-fach-Okulars für die Ausführungsform des aufrechten Mikroskops.
Die geometrischen und Mikroskop-Parameter für diese Linse sind in Tabelle
6 dargelegt. Oberfläche 1 ist
die Position des Abtastspiegels und der vorderen Fokalebene des
Okulars. Oberfläche 14 ist
die Ebene, wo das Okular den Strahl fokussiert. Oberfläche 15 befindet
sich nahe der hinteren Objektivöffnung.
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Fokussierungsfehler
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Die 9A–E sind
optische Skizzen, die die Fokussierungsfehler zeigen, die durch
longitudinale chromatische Aberration verursacht werden, sowie die
Art, wie dieses Problem gehandhabt wird.
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9A zeigt,
wie die longitudinale chromatische Aberration in den Linsen Fokussierungsfehler
hervorruft. Das wird im Kontext der Ausführungsform des invertierenden
Mikroskops veranschaulicht, aber das Problem und die Lösung sind
bei der Ausführungsform
des aufrechten Mikroskops die gleichen. Im spezielleren wird ein
hereinkommender parallelgerichteter UV-Erregungsstrahl in gepunkteten
Linien als zu einem Brennpunkt in einer Ebene 15u kommend
gezeigt, stromaufwärts
versetzt von der Ebene 15, in der ein hereinkommender Strahl
sichtbaren Lichts fokussiert würde.
Das sichtbare Licht, das von Punkten in Ebene 15 divergiert,
wird durch die Linsen parallelgerichtet und werde den Detektor erreichen.
Das aus Ebene 15u (wo der UV-Strahl fokussiert wird) ausgestrahlte
sichtbare Licht wird bei der Rückkehr
nicht durch die Linsen parallelgerichtet und divergiert, bevor es
den Detektor erreicht. Wie oben erwähnt, ist es wünschenswert,
durch die Verwendung von Fokussierungstrahlexpander 60 und
UV-Korrekturlinse 65 die longitudinale chromatische Aberration
auszugleichen.
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9B zeigt,
wie die UV-Korrekturlinse 65 bewirkt, daß der UV-Erregungsstrahl
(in strichlierten Linien gezeichnet) in derselben Ebene 15 fokussiert,
aus der austretendes sichtbares Licht (in durchgehenden Linien gezeichnet)
durch die Linsen parallelgerichtet und detektiert wird. Das wird
erreicht, indem der UV-Strahl zu einem Brennpunkt vor dem Okular 27' gebracht wird,
woraufhin der UV-Strahl divergiert, wenn er auf die Linsen trifft.
Die Linsen werden nicht bezüglich
longitudinaler chromatischer Aberration aus dem UV-Bereich korrigiert und
so wird das UV-Licht in Ebene 15 fokussiert. Es sollte
angemerkt werden, daß das
dargestellte sichtbare Licht gleichermaßen dem sichtbaren Erregungsstrahl
entsprechen könnte.
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Die 9C–E zeigen,
wie der Fokussierungsstrahlexpander 57 und die UV-Korrekturlinse 60 eingestellt
werden können,
um die Position des UV-Brennpunkts zu variieren und die Strahlenvergrößerung zu
erhöhen,
um das Füllen
der hinteren Öffnung
des Objektivs zu erhöhen. 9C zeigt
die Situation, wo Strahlenexpander 57 einen expandierten
parallelgerichteten Strahl bereitstellt. 9D zeigt,
wie es durch Einstellen des Strahlenexpanders, um einen divergierenden
Strahl bereitzustellen, möglich
ist, die Position des UV-Brennpunkts zu ändern. 9E zeigt,
wie eine stärkere
Linse verwendet werden kann, um die Position des UV-Brennpunkts
in eine verwendbare Position zu bringen.
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Abtastfehler
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Die 10A–C
sind optische Skizzen, die die Abtastfehler zeigen, die durch chromatische
Fehler verursachten Abtastfehler sowie die Art zeigen, wie mit diesem
Problem umgegangen wird.
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10A zeigt, wie die chromatischen Effekte in den
Linsen das konfokale Abtasten beeinflussen. Dieses Problem unterscheidet
sich von dem longitudinaler (Fokussierungs-)Fehler, von denen angenommen
wird, daß sie
wie oben beschrieben gelöst
werden. Das wird im Kontext der Ausführungsform des invertierenden Mikroskops
veranschaulicht, aber das Problem ist bei der Ausführungsform
des aufrechten Mikroskops das gleiche. Für den konfokalen Betrieb muß das zurückkehrende
sichtbare Licht (als durchgehende Linie gezeichnet), das aus der
UV-Erregung resultiert
(als strichlierte Linie gezeichnet), den gleichen Weg entlang gehen, wenn
es auf die Abtastoptik trifft, die das Erregungslicht entlanggeht,
wenn es die Abtastoptik verläßt. Wie
in der Figur gezeigt, wird diese Bedingung erfüllt, aber bei großen Abtastwinkeln
wird das sichtbare Licht aufgrund der chromatischen Effekte in den
Linsen von einem Punkt gesammelt, der seitlich aus dem Punkt maximaler
UV-Erregung versetzt
ist. Diese Art von Abtastfehler führt zu einem deutlichen Abfall
der Intensität über das
Bildbetrachtungsfeld.
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10B ist eine optische Skizze, die zeigt, wie die
Abtastfehler für
das invertierende Mikroskop korrigiert werden. Das wird erreicht,
indem die Bedingung aufgestellt wird, daß das UV- und das sichtbare
Licht von einem Objektpunkt 80 durch Okular 27' und Adapterlinse 30' an einem achromatischen
Bildpunkt 82 fokussiert werden, wobei der Objektpunkt der
Position des letzten Abtastspiegels entspricht und der Bildpunkt einem
Punkt nahe der Mitte der Telon-Objektiv-Kombination entspricht.
Bei der Konstruktion der ersten Generation ist der Objektpunkt etwa
18 mm von der Vorderfläche
des Okulars entfernt, und der achromatische Bildpunkt ist 167,3
mm von der Rückfläche der
Adapterlinse entfernt. Bei der Konstruktion mit 6,25-facher Vergrößerung der
zweiten Generation sind die entsprechenden Distanzen etwa 13,5 mm
und 148,2 mm. Bei der 8-fach-Konstruktion der zweiten Generation
sind die entsprechenden Distanzen etwa 21,2 mm und 151,5 mm.
-
Es
ist anzumerken, daß diese
chromatische Korrektur nicht vollständig mit einer Korrektur der
longitudinalen chromatischen Aberration kompatibel ist, die, wie
oben erörtert,
statt dessen durch die UV-Korrekturlinse und den Fokussierungsstrahlexpander
bewältigt
wird. Diese Optimierung erfolgt im speziellen auf folgende Weise.
Das Okular wird so korrigiert, daß (a) sichtbare Farben und
paralleles UV-Licht in Rückwärtsrichtung auf
den selben Punkt fokussieren, und (b) alle Farben parallelen sichtbaren
Lichts in Vorwärtsrichtung
zur selben Ebene für
kleine und große
Abtastwinkel fokussieren. Die Adapterlinse wird für große und kleine
Abtastwinkel so optimiert, daß (a)
paralleles UV- und sichtbares Licht in der Vorwärtsrichtung achromatisch an
Bildpunkt 82 fokussiert werden und (b) paralleles sichtbares
Licht, das rückwärts in die
Adapterlinse geht, zu einer gemeinsamen vorderen Fokalebene fokussiert
wird (die sich zwischen der Adapterlinse und dem Okular befindet).
Weiters ist das System für
alle Farbensichtbaren Lichts im wesentlichen achromatisch.
-
10C ist eine optische Skizze, die zeigt, wie Abtastfehler
für das
aufrechte Mikroskop korrigiert werden. Das wird erreicht, indem
die Bedingung aufgestellt wird, daß UV-und sichtbares Licht von einem Objektpunkt 85 durch
das mit 27'' bezeichnete
Okular an Bildpunkt 87 fokussiert werden, wobei der Objektpunkt
der Position des letzten Abtastspiegels entspricht und der Bildpunkt
einem Punkt nahe dem Mittelpunkt des Objektivs entspricht. Bei der
Konstruktion erster Generation ist der Objektpunkt 32 mm von der
Vorderfläche
des Okulars entfernt, und der achromatische Bildpunkt ist 178,25
mm von der Rückfläche des
Okulars entfernt. Bei der Konstruktion mit 8-facher Vergrößerung der
zweiten Generation sind die entsprechenden Distanzen etwa 27,3 mm
und 160 mm.
-
Bei
jeder speziellen Konstruktion erreichen die verschiedenen Wellenlängen, die
aus Punkt 80 (oder 85) ausgesandt werden, nicht
präzise
im selben Punkt 82 (oder 87) einen Brennpunkt,
da diese Einschränkung eine
der vielen ist, die bei einem Optimierungsvorgang beachtet werden
müssen.
Daher ist relativ zu einer Bezugswellenlänge jede bestimmte Wellenlänge durch
einen chromatischen Abtastfokusfehler Δf gekennzeichnet, der die longitudinale
Trennung zwischen dem Brennpunkt der speziellen Wellenlänge und
jenem für
die Bezugswellenlänge
entspricht.
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Tabelle
7 zeigt die chromatischen Abtastfokusfehler (Δf) für 330 nm und 656 nm in bezug
auf die Position für
494 nm (per Definition 0) für
vier Okulare. Das erste (Okular Nr. 1), das für Vergleichszwecke verwendet
wird, ist ein Vier-Element-Quarzglas-Okular, das für monochromatische Aberrationen
optimiert ist, nicht aber für
chromatische Abtastaberration. Die anderen drei sind das 6,5-fach-Okular
erster Generation sowie das 6,25-fach und das 8-fach-Okular zweiter
Generation, alle für
das invertierende Mikroskop.
-
Jede
Okularkonstruktion wurde mit einer 160 mm-Linsen-Konstruktion im
OPTEC-Programm kombiniert,
und Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen wurden entlang Abtastlinien
durch die Optik verfolgt. Der chromatische Abtastfokusfehler (Δf) wurde
unter Einsatz der 494 nm-Bezugswellenlänge bestimmt. Δf betrug
bei UV-Wellenlängen mit
dem unkorrigierten Quarzglas-Okular mehr als 1 Zoll und wurde auf
einige Millimeter verringert, indem die Okulare gemäß vorliegender
Erfindung korrigiert wurden. Tabelle 8 zeigt Δf für weitere Wellenlängen mit
dem 6,25-fachen Okular.
-
Dünnlinsengleichungen
prognostizieren, daß bei
maximaler Auflösung
ein 8-fach-Okular
25% weniger chromatische Korrektur erfordert als für das 6-fach-Okular
erforderlich ist. Der chromatische Fehler wurde jedoch durch das
Konstruieren eines 6,5-fach-Okulars mit längerer Fokallänge (vergleiche
Okulare Nr. 2 und Nr. 3 in Tabelle 8) mehr als halbiert. Die 8-fache
Konstruktion erforderte stärke
Oberflächenkrümmungen,
um die gleiche chromatische Korrektur wie bei der 6-fachen zu erreichen,
wodurch monochromatische Aberrationen auf inakzeptabel große Werte
erhöht
wurden. Daher wurde die chromatische Korrektur für das 8-fach-Okular notwendigerweise
reduziert. Okular Nr. 3 (6,5-fach) hatte das geringste Ausmaß an chromatischer
Aberration, war jedoch durch beträchtliche Verzerrung beeinträchtigt und
wurde neu konstruiert, was Okular Nr. 4 (6,25-fach) ergab. Bei Okular
Nr. 4 wurde bei der chromatischen Korrektur einer solcher Kompromiß erreicht, daß die monochromatischen
Korrekturen optimiert wurden.
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Die
Korrektur bezüglich
chromatischer Abtastfokusfehler scheint auch bei der Ausführungsform
des invertierenden Mikroskops primär im Okular erzielbar zu sein.
Tatsächlich
wiesen einige Tests darauf hin, daß ein im Handel angebotener
sichtbarer Achromat mit 160 mm, der auch UV-Licht durchließ, etwas
besser funktionierte als die Adapterlinse erster Generation, und
im allgemeinen ebenso gut wie die Adapterlinse zweiter Generation.
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Feldkrümmung
und Vergrößerungsfehler
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Bei
der Feldkrümmung
handelt es sich typischerweise um die Aberration, deren Korrektur
am schwierigsten ist, und ein gewisses Restausmaß ist oft akzeptabel. Beispielsweise
wäre, wenn
man davon ausgeht, daß alle
Wellenlängen
dem gleichen Ausmaß an
Feldkrümmung
unterliegen, das Ergebnis das, daß die Probenebene keine Ebene,
sondern eine leicht gekrümmte
Oberfläche
ist. Im Grund genommen wäre
das kein Problem, da leicht gekrümmte
Abschnitte im allgemeinen die gleichen nützlichen Informationen liefern
wie vollkommen ebene.
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Das
echte Problem entsteht jedoch dann, wenn nicht alle Wellenlängen dem
gleichen Ausmaß an Feldkrümmung unterliegen.
In einem solchen Fall wäre
die UV-Erregung bei Punkten, die aus der Mitte des Feldes versetzt
sind, nicht mit der sichtbaren Fluoreszenz konfokal. Statt dessen
wäre das
sichtbare Licht, das den Detektor erreicht, jenes, das von einem
Punkt ausgesandt wird, der vom fokussierten Strahlenpunkt entfernt
ist, und hätte
daher eine viel geringere Intensität. Dabei handelt es sich um
das gleiche Problem, das auftritt, wenn longitudinale Fokussierungsfehler
nicht korrigiert werden, mit der Ausnahme, daß das Ergebnis nicht über das
gesamte Feld gleich ist, sondern sich mit zunehmendem Abstand von
der Mitte des Feldes verstärkt.
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Demgemäß wird das
Problem so bewältigt,
daß ein
gewisses Ausmaß an
Feldkrümmung
akzeptiert und vorrangig darauf geachtet wird, daß ein Feld
erzielt wird, das für
die UV- und die
sichtbaren Wellenlängen ähnlich geformt
ist.
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11 zeigt
berechnete Kurven der Feldkrümmung
für Okular
Nr. 1 (obere drei Linien) und Okular Nr. 3 (untere drei Linien),
jeweils kombiniert mit einer theoretischen 160 mm-Adapterlinse und
einem theoretischen Objektiv. Ebenfalls gezeigt werden Kurven für das Objektiv
allein (drei beinahe zusammenfallende Linien). Die Feldkrümmung auf
der Probenebene wurde berechnet, indem Lichtstrahlen in zunehmenden
Abtastwinkeln durch theoretische Dicklinsenmodelle verfolgt wurden
(wobei das OPTEC-Programm zum Einsatz kam). Mit zunehmendem Abtastwinkel
wurde die Effektivwertposition des Objektivbrennpunkts in axialer
und radialer Richtung aufgezeichnet und aufgetragen. Um den vollen
optischen Zug zu modellieren, wurde ein theoretisches unendlichkeitskorrigiertes.
10-fach-Objektiv (achromatisch im sichtbaren Licht, aber mit einer
gewissen verbleibenden chromatischen Aberration im UV-Bereich) aus
Kalziumfluorid und Quarzglas konstruiert. Eine 160 mm-Linse mit ähnlichen
chromatischen Eigenschaften wurde ebenfalls konstruiert. Strahlen
wurden durch das optische System in drei Wellenlängen verfolgt: rot (656 nm),
blau (488 nm) und UV (330 nm). Chromatische Korrekturen im Okular
aus Kalziumfluorid/Quarzglas verringerten die lateralen Vergrößerungsfehler, Δy, ebenso
wie Feldkrümmungsfehler, Δz, im Vergleich
zu Fehlern, die durch das unkorrigierte Quarzglas-Okular verursacht
wurden, dramatisch.
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Die 12A–C
sind Kurven, die die berechnete Feldkrümmungs- und Vergrößerungsfehler
nahe dem Rand des Sichtfeldes für
das Mikroskop mit einem 100-fach
Objektiv, einem 40-fach Objektiv und einem 10-fach Objektiv zeigen.
Die vertikale Achse stellt die Position des Punktes entlang der
Strahlenrichtung dar. Die horizontale Achse stellt die Position
des Punktes in Querrichtung dar.
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Die
drei Reihen Plus-Signale stellen Messungen dar, die mit rot (oben),
blau und UV (unten) für
das Vier-Element-Quarzglas-Objektiv gemacht wurden. Messungen für jede der
drei Wellenlängen
in einem bestimmten Abtastwinkel sind gruppiert. Die vertikale Trennung
zwischen Punkten stellt einen Feldkrümmungsfehler zwischen Wellenlängen in
diesem Winkel dar; die horizontale Trennung stellt einen Vergrößerungsfehler dar.
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Die
vier Reihen Rauten stellen Messungen dar, die mit dem korrigierten
6-5,-fach Sechs-Element-Okular
für UV
(oben) und rot, blau und grün
(darunter gruppiert) gemacht wurden. Wie festzustellen ist, sind
die Feldkrümmung
und die Vergrößerungsfehler
beim korrigierten Okular viel kleiner. Die Vergrößerungsfehler dominieren die
Feldkrümmungsfehler
für das
100-fach-Objektiv, während
für das
10-fach-Objektiv das Gegenteil gilt. Beim 40-fach-Objektiv sind
die Fehler vergleichbar.
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Gesamtintensitätsprofil
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Konfokale
Abschnitte wurden durch den Mittelpunkt einer dicken Scheibe Fluoresceinfarbstoff
gesammelt, durch blaues oder UV-Licht erregt, wobei ein 40-faches
Olympus-Objektiv verwendet wurde. Die Kurven wurden an ein Profil
des fluoreszierenden Bildes angepaßt, das durch die Mitte des
Feldes gezeichnet wurde. Die Kurven wurden leicht verschoben, um
ihre Peaks übereinanderzulegen.
(Peak-Verschiebung
wurde durch geringfügige
Spiegelausrichtungsdifferenzen verursacht.) Ein vollständiges Sichtfeld
hatte 768 Pixel. 13A zeigt die Fluoreszenzfeldhelligkeit
mit UV- oder sichtbarer Erregung für das chromatisch korrigierte
Okular Nr. 3 (Kurven a.v und a.uv) sowie das chromatisch unkorrigierte
Okular Nr. 1 (Kurven b.v und b.uv). Wie festzustellen ist, wurde
die Bildintensität über das
Feld mit dem chromatisch korrigierten Okular dramatisch verbessert. 13B zeigt Daten, die unter Einsatz von Okular
Nr. und 100-fach, 40-fach und 10-fach Olympus-Objektiv gesammelt
wurden. Wie zu sehen ist, verbesserte sich die Feldintensität mit zunehmender
Objektivleistung.
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Fokussierungslinse im Detektorweg
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Wie
oben angedeutet, kann die Sammeleffizienz verbessert werden, indem
eine Linse im Detektorweg angeordnet wird. Parallelgerichtetes Erregungslaserlicht
geht durch das Okular und das Objektiv und fokussiert zu einem Erregungspunkt.
Fluorophore werden im Bereich um den Erregungspunkt gemäß der Intensitätsverteilung
einer dreidimensionalen beugungsbegrenzten Point-spread-Funktion
(psf) angeregt. Licht wird durch das Objektiv gemäß ebendiesem
Intensitätsprofil
gesammelt, was zu einer etwas engeren konfokalen psf führt, die
in etwa symmetrisch um den Erregungspunkt ist. In einem einfachen
konfokalen Stiftloch-Mikroskop ist der Mittelpunkt des psf-Bildes
am Stiftloch fokussiert, und Licht von Ebenen oberhalb und unterhalb des
Objektivbrennpunkts wird beinahe symmetrisch zurückgewiesen. Beim speziellen
oben beschriebenen Mikroskop wird Licht vom Mittelpunkt des psf-Bildes
bis zu Unendlichkeit fokussiert, und als Folge wird Licht von Ebenen
oberhalb und unterhalb des Objektiv-Brennpunkts asymmetrisch zurückgewiesen.
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Das
Radius des Strahls an der konfokalen Öffnung wurde unter Einsatz
von Dünnlinsengleichungen für Licht
berechnet, das von verschiedenen Punkten entlang der optischen Achse
nahe dem Erregungspunkt ausgesandt wurde. Der Anteil der Intensität, die von
jedem Punkt gesammelt wurde, wurde für die Öffnung in bezug auf die Breite
des parallelgerichteten Strahls mit der Gleichung I: (rp/rΔ)2 berechnet, worin rp, der Radius des Stiftlochs,
auf den Radius des parallelgerichteten Strahls vom Erregungspunkt
eingestellt wurde und rΔ der
Radius des divergierenden oder konvergierenden Lichts am Stiftloch
von Punkten außerhalb
des Brennpunkts war. Werte über
1 wurden auf 1 abgerundet (was anzeigt, daß das gesamte Licht an der
PMT gesammelt wurde). Es wurde festgestellt, daß der Mittelpunkt der resultierenden
Stiftlochsammelfunktion (pcf) am Mittelpunkt der psf vorbei die
optische Achse entlang verschoben wurde. Wenn das Stiftloch geöffnet oder
geschlossen wurde, erweiterte oder verengte sich die pcf um ihren
Mittelpunkt. Der Lichtstrahl vom Mittelpunkt der pcf war am Stiftloch
fokussiert. Bei einem 40-fach Objektiv war festzustellen, daß der optische
Querschnitt bei Verwendung eines 6-fach Okulars mehr als doppelt
so breit war als der Querschnitt von einem 10-fach Okular, wenn
das gesamte Licht vom maximal erregten Punkt in der Mitte der psf
gesammelt wurde.
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Das
Stiftloch kann auch als räumliche
Abtastvorrichtung betrachtet werden. Um eine theoretische Auflösung zu
erzielen, muß die
pcf zumindest die halbe Breite der theoretischen Auflösung haben,
um dem Nyquist-Abtast-Kriterium zu entsprechen. Die pcf hat im allgemeinen
eine andere Gestalt als die psf, mit denn Ergebnis, daß in radialer
Richtung ein kleineres Stiftloch als in axialer Richtung verwendet
werden muß,
um maximale Auflösung
zu erzielen. Wenn die Stiftlochgröße verringert wird, um eine
theoretische axiale Auflösung
zu erreichen, verengt sich die pcf um ihren Mittelpunkt, und ein
großer
Abschnitt des erregten Lichts von der psf wird zurückgewiesen.
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Dünnlinsengleichungen
wurden eingesetzt, um die Vergrößerung der
psf in radialer Richtung am Stiftloch zu berechnen. Es wurde festgestellt,
daß die
theoretische laterale Auflösung
in dieser Konfiguration mit einem 10-fach-Okular, nicht jedoch mit
einem 6-fach-Okular
erreichbar war. Ähnliche
Berechnungen wurden für
100-fach, 40-fach, 20-fach
und 10-fach Okulare durchgeführt.
Das 10-fach-Okular-Modell konnte für alle außer dem 10-fach Objektiv die
theoretische axiale und radiale Auflösung erreichen (jedoch nicht
bei optimaler Leistung). Die 8-fach-Okular-Auflöseleistung war beim 40-fach Objektiv marginal
und beim 10-fach Objektiv unzureichend. Das 6-fach-Okular erzielte
nur mit dem 100-fach Objektiv die theoretische Auflösung.
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Um
dieses Auflösungsproblem
zu lösen,
wurde eine 1.000 mm-Linse zwischen dem dichroitischen Spiegel und
dem Stiftloch angeordnet, um ausgerichtetes Licht von der Mitte
des Erregungspunktes zum Stiftloch zu fokussieren. Bei diesem Ansatz
wurde der Mittelpunkt der axialen pcf zum Mittelpunkt der axialen
psf verschoben, wodurch das Stiftloch auf jede Größe reduziert
werden und dennoch Licht vom maximal erregten Punkt in der Probe
gesammelt werden könnte.
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Bei
kleinen Öffnungen
erhöht
die Verwendung der Langlinsen-Verstärkungen die gesammelte Lichtintensität um etwa
40%. Sammeln des Lichts außerhalb
des Brennpunkts ist nicht ein solches Problem wie die Zurückweisung
eines Teils des Lichts im Brennpunkt, weil die Öffnung kleiner ist als die
Breite des zurückkehrenden
ausgerichteten Strahls. Die Wirkung besteht schlußendlich
darin, daß die
Lichtintensität
bei kleinen Öffnungen
erhöht
wird, während
die Auflösung
beibehalten oder verstärkt
wird. Dank der zugrundeliegenden Mikroskopkonstruktion, die das
Okular und einen langen Rückweg
umfaßt,
wird der Vorteil der Verwendung einer Irisblende anstelle eines
Stiftlochs auch dann beibehalten, wenn die lange Linse in den Nur-Rückweg eingesetzt
wird.
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Die
einzelne Linse verringerte jedoch bei einigen Objektiv/Okular-Kombinationen
die laterale Vergrößerung des
psf FWHM am Stiftloch unter 0,5 mm (eine praktische Grenze für die variable Öffnung).
Die einzelne Linse wurde daraufhin durch eine Zwei-Linsen-Optik ersetzt, die
so konstruiert war, daß sie
das psf-Bild zur Öffnung
fokussiert und die laterale FWHM des Bilds bei allen Objektiven
auf eine Größe über 0,5
mm vergrößert. Es
wird erwartet, daß es
diese Konstruktion ermöglicht,
daß die
chromatisch korrigierte 6-fach-Okular-Konstruktion verwendet wird,
um die theoretische konfokale Auflösung zu erzielen.
-
Schlußfolgerung
-
Als
Schlußfolgerung
kann gesagt werden, daß die
vorliegende Erfindung eine wirtschaftliche und wirksame Technik
bereitstellt, um die Vorteile der konfokalen Rastermikroskopie in
den UV-Bereich auszudehnen.
-
Oben
erfolgte zwar eine vollständige
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, es können jedoch
verschiedene Modifikationen, alternative Konstruktionen und Äquivalente
eingesetzt werden. Beispielsweise könnten, während der Rückweg wie gezeigt mit einem
einzigen Strahlenspalter und zwei Detektoren versehen ist, ein zweiter
Strahlenspalter und ein dritter Detektor zugegeben werden, um die
UV-Leistung des Mikroskops umfassender zu nutzen. Weiters könnte, während das
Objektiv bei der Ausführungsform
des invertierenden Mikroskops in Kombination mit einer Telonlinse
gezeigt wurde, ein unendlichkeitskorrigiertes Objektiv ohne Telonlinse
verwendet werden.
-
Daher
sollten die obige Beschreibung und die Darstellungen nicht so interpretiert
werden, daß sie
den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken, der
durch die beiliegenden Ansprüche
definiert ist. TABELLE 1 – OKULAR ERSTER GENERATION
FÜR INVERTIERENDES
MIKROSKOP
Oberfläche | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | Randdicke |
1 | –66.331 | | | | |
| | 7.00 | Quarzglas | 25.4 | 5.467 |
2 | –30.597 | | | | |
| | 0.00 | Luft | 25.4 | 6.532 |
3 | 23.266 | | | | |
| | 9.54 | CaF2 | 25.4 | 1.996 |
4 | –23.266 | | | | |
| | 0.00 | Luft | 25.4 | 0.958 |
5 | –30.070 | | | | |
| | 2.00 | Quarzglas | 25.4 | 7.509 |
6 | 15.388 | | | | |
| | 1.00 | Luft | 17.4 | 2.077 |
7 | 23.266 | | | | |
| | 9.54 | CaF2 | 25.4 | 1.996 |
8 | –23.266 | | | | |
| | 1.50 | Luft | 25.4 | 1.186 |
9 | –16.052 | | | | |
| | 1.50 | Quarzglas | 21.4 | 8.942 |
10 | 25.710 | | | | |
| | 0.00 | Luft | 25.4 | 0.416 |
11 | 23.266 | | | | |
| | 9.54 | CaF2 | 25.4 | 1.996 |
12 | –23.266 | | | | |
EFL = 38,59 mm FFL = 22,4 mm
Abstand vom
Abtastspiegel zur Oberfläche
Nr. 1 = 18 mm
Vergrößerung 250/38,59
= 6,5-fach
Mindestöffnung
= 12 mm
maximaler Röhrendurchmesser
= 30 mm TABELLE 2 – ADAPTERLINSE ERSTER GENERATION
FÜR INVERTIERENDES
MIKROSKOP
Oberfläche Randdicke | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | |
1 | 37.211 | | | | |
| | 6.40 | CaF2 | 25.4 | 1.931 |
2 | –37.211 | | | | |
| | 0.134 | Luft | 25.4 | 0.00 |
3 | –37.259 | | | | |
| | 2.50 | Quarzglas | 25.4 | 5.548 |
4 | 120.112 | | | | |
EFL = 134,4 mm FFL = 137,3 mm BFL = 123,5
mm
Abstand vom Okular zur Oberfläche Nr. 1 = 155,30 mm
Abstand
der Oberfläche
Nr. 4 zur Telonlinse = 167,30 mm TABELLE 3 – OKULAR ERSTER GENERATION
FÜR AUFRECHTES
MIKROSKOP
Oberfläche | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | Randdicke |
1 | –90.609 | | | | |
| | 7.00 | Quarzglas | 25.4 | 5.467 |
2 | –41.788 | | | | |
| | 0.00 | Luft | 25.4 | 6.532 |
3 | 23.266 | | | | |
| | 9.54 | CaF2 | 25.4 | 1.996 |
4 | –23.266 | | | | |
| | 0.00 | Luft | 25.4 | 0.958 |
5 | –28.449 | | | | |
| | 2.00 | Quarzglas | 25.4 | 7.509 |
6 | 19.287 | | | | |
| | 1.00 | Luft | 17.4 | 2.077 |
7 | 23.266 | | | | |
| | 9.54 | CaF2 | 25.4 | 1.996 |
8 | –23.266 | | | | |
| | 1.50 | Luft | 25.4 | 1.186 |
9 | –16.113 | | | | |
| | 1.50 | Quarzglas | 21.4 | 8.942 |
10 | 22.175 | | | | |
| | 0.00 | Luft | 25.4 | 0.416 |
11 | 23.266 | | | | |
| | 9.54 | CaF2 | 25.4 | 1.996 |
12 | –23.266 | | | | |
EFL = 38,82 mm FFL = 22,75 mm BFL = 18,24
mm
Abstand vom Abtastspiegel zur Oberfläche Nr. 1 = 32 mm
Abstand
von der Oberfläche
Nr. 12 zum Objektiv = 178,25 mm
Vergrößerung = 250/38,82 = 6,4-fach
Mindestöffnung =
12 mm
maximaler Röhrendurchmesser
= 30 mm TABELLE 4 – 6,25-FACH OKULAR ZWEITER
GENERATION FÜR
INVERTIERENDES MIKROSKOP
Oberfläche | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | Randdicke |
1 | 100000.000 | | | | |
| | 23.805 | Luft | 25.4 | 23.652 |
2 | –527.977 | | | | |
| | 4.000 | Quarzglas | 25.4 | 6.475 |
3 | 35.895 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 0.686 |
4 | 23.490 | | | | |
| | 10.500 | CaF2 | 23.0 | 3.020 |
5 | –17.021 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 23.0 | 0.466 |
6 | –18.510 | | | | |
| | 2.000 | Quarzglas | 23.0 | 9.262 |
7 | 26.400 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 0.682 |
8 | 22.449 | | | | |
| | 9.540 | CaF2 | 25.4 | 3.991 |
| –50.869 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 3.386 |
10 | 46.320 | | | | |
| | 9.540 | CaF2 | 25.4 | 4.596 |
11 | –27.035 | | | | |
| | 1.500 | Luft | 25.4 | 0.965 |
12 | –17.279 | | | | |
| | 3.000 | Quarzglas | 21.4 | 4.584 |
13 | –39.099 | | | | |
| | 25.615 | Luft | 25.4 | 27.735 |
14 | 100000.000 | | | | |
TABELLE 5 8-FACH OKULAR ZWEITER GENERATION
UND ADAPTER FÜR
INVERTIERENDES MIKROSKOP
Oberfläche | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | Randdicke |
1 | 100000.000 | | | | |
| | 21.201 | Luft | 25.4 | 19.943 |
2 | –64.724 | | | | |
| | 7.000 | Quarzglas | 25.4 | 6.800 |
3 | –56.024 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 6.458 |
4 | 18.630 | | | | |
| | 10.000 | CaF2 | 25.4 | 1.127 |
8 | –22.758 | | | | |
| | 0.440 | Luft | 25.4 | 0.109 |
6 | –20.660 | | | | |
| | 2.000 | Quarzglas | 25.4 | 8.352 |
7 | 20.517 | | | | |
| | 1.000 | Luft | 17.6 | 1.096 |
8 | 39.746 | | | | |
| | 9.540 | CaF2 | 25.4 | 4.981 |
9 | –33.820 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 5.754 |
10 | 26.229 | | | | |
| | 9.540 | CaF2 | 25.4 | 5.138 |
11 | –72.437 | | | | |
| | 1.700 | Luft | 25.4 | 0.409 |
12 | –22.471 | | | | |
| | 2.000 | Quarzglas | 20.3 | 3.628 |
13 | –103.178 | | | | |
| | 12.021 | Luft | 25.4 | 12.806 |
14 | 100000.000 | | | | |
| | 148.896 | Luft | –25.4 | 149.199 |
15 | 405.219 | | | | |
TABELLE 5 – 8-FACH OKULAR ZWEITER GENERATION
UND ADAPTER FÜR
INVERTIERENDES MIKROSKOP
Oberfläche | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | Randdicke |
| | 3.000 | Quarzglas | 25.4 | 4.336 |
16 | 53.314 | | | | |
| | 0.063 | Luft | 25.4 | 0.000 |
17 | 55.550 | | | | |
| | 7.000 | CaF2 | 25.4 | 4.545 |
18 | –82.494 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 1.032 |
19 | 1672.767 | | | | |
| | 4.000 | Quarzglas | 25.4 | 4.052 |
20 | –805.477 | | | | |
| | 151.452 | Luft | 25.4 | 151.352 |
21 | 100000.000 | | | | |
TABELLE 6 – 8-FACH OKULAR ZWEITER GENERATION
FÜR AUFRECHTES
MIKROSKOP
Oberfläche | Radius | Dicke
in der Mitte | Material | Maximale Öffnung | Randdicke |
1 | 100000.000 | | | | |
| | 27.290 | Luft | 25.4 | 26.213 |
2 | –69.162 | | | | |
| | 7.000 | Quarzglas | 25.4 | 6.908 |
3 | –64.215 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 6.268 |
4 | 18.610 | | | | |
| | 10.000 | CaF2 | 25.4 | 1.127 |
5 | –22.758 | | | | |
| | 0.600 | Luft | 25.4 | 0.371 |
6 | –19.983 | | | | |
| | 2.000 | Quarzglas | 25.4 | 8.212 |
7 | 21.556 | | | | |
| | 1.000 | Luft | 18.6 | 0.974 |
| 39.746 | | | | |
| | 9.540 | CaF2 | 25.4 | 4.981 |
9 | –33.820 | | | | |
| | 0.000 | Luft | 25.4 | 5.755 |
10 | 26.229 | | | | |
| | 9.540 | CaF2 | 25.4 | 5.138 |
11 | –72.437 | | | | |
| | 1.700 | Luft | 25.4 | 0.447 |
12 | –21.655 | | | | |
| | 2.000 | Quarzglas | 19.7 | 3.341 |
13 | –78.532 | | | | |
| | 12.180 | Luft | 25.4 | 13.215 |
14 | 100000.000 | | | | |
| | 160.000 | Luft | 25.4 | 0 |
15 | 100000.000 | | | | |
TABELLE 7 – CHROMATISCHER ABTASTFEHLER
(Δf) für VIER OKULARE
Wellenlänge (nm) | QuarzglasOkular Nr.
1 Δf (mm) | 8-fach-Okular Nr. 2 Δf (mm) | 6,5-fach
Okular Nr. 3 Δf
(mm) | 6,25-fach
Okular Nr. 4 Δf
(mm) |
330 | –29.77 | –9.09 | –3.28 | –4.22 |
494 | 0 | 0 | 0 | 0 |
656 | 9.53 | 1.38 | –0.76 | –0.21 |
TABELLE 8 – CHROMATISCHER ABTASTFEHLER
FÜR 6,25-FACH
OKULAR
Wellenlänge (nm) | Δf (mm) |
656 | –0.21 |
540 | 0.13 |
494 | 0 |
488 | –0.05 |
450 | –1.01 |
351 | –3.19 |
330 | –4.22 |