WO2008043500A1

WO2008043500A1 - Multispektrale beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: WO2008043500A1
Application number: PCT/EP2007/008693
Authority: WO
Inventors: Andreas Nolte; Matthias Kramer; Michael Brehm; Christian BÖKER
Original assignee: Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2007-10-06
Publication date: 2008-04-17
Also published as: EP2087393A1; US8203784B2; US20100014157A1; DE102006048054A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop oder einen Reader. Erfindungsgemäß enthält die Beleuchtungsvorrichtung mindestens drei Aufhahmepositionen für Leuchtmodule (22) und mindestens eine Aufhahmeposition für Koppelmodule (23), wobei die mechanischen Vorrichtungen zur Verbindung der Leuchtmodule (2) oder Koppelmodule (4) an den Aufhahmepositionen (22, 23) mit der Beleuchtungsvorrichtung (1) so ausgelegt sind, dass die Leuchtmodule (2) oder Koppelmodule (4) leicht wechselbar sind. Ferner sind die Aufhahmepositionen (22, 23) derart angeordnet, dass bei geeigneter Wahl der Leuchtmodule (2) und Koppelmodule (4) am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung (5) alle Einzelspektren (3) der Leuchtmodule in einem Gesamtspektrum (6) simultan verfügbar sind.

Description

Multispektrale Beleuchtungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop oder einen Reader.

Ein wichtiges Einsatzgebiet von Beleuchtungsvorrichtungen sind Abbildungs- bzw. Untersuchungsvorrichtungen, die dazu vorgesehen sind, Bilder eines zu untersuchenden Objektes bzw. einer Probe zu erzeugen. Typische Beispiele für solche Abbildungsvorrichtungen sind Mikroskope und insbesondere Mikroskope mit einer Weitfeldoptik, die einen vorgegebenen Bereich der abzubildenden bzw. zu untersuchenden Probe abbildet. Eine besondere Rolle kommt bei der optischen Untersuchung von Proben der Fluoreszenzuntersuchung zu. Dabei wird die Probe mit einer Anregungsstrahlung mit einem geeigneten Anregungsspektrum bestrahlt, das in Abhängigkeit von einem oder mehreren Fluoreszenzfarbstoffen ausgewählt wird. Befinden sich in der Probe diese Fluoreszenzfarbstoffe, so wechselwirken sie mit der Anregungsstrahlung und emittieren Fluoreszenzstrahlung, die für den Farbstoff charakteristisch ist. Auf diese Weise ist eine Detektion der Probe möglich. Dabei kann nicht nur das Vorhandensein von Fluoreszenzfarbstoffen, sondern auch deren Konzentration und deren örtliche Anordnung ermittelt werden.

Statt Fluoreszenzfarbstoffen können auch Nanopartikel, beispielsweise Quantum Dots, oder andere Farbstoffe, verwendet werden, die bei wenigstens einer Wellenlänge fluoreszieren.

Um eine Vielzahl verschiedener Fluoreszenzfarbstoffe bzw. Nanopartikel anregen zu können, werden üblicherweise Lichtquellen wie Quecksilber- oder Xenonbogenlampen verwendet. Diese Lichtquellen verfügen über ein breites Emissionsspektrum, das vom UV bis zum nahen Infrarot reicht. Die Auswahl des für einen Farbstoff erforderlichen Anregungsspektrums geschieht in Mikroskopen üblicherweise über einen Satz von Filtern, einem so genannten Anregungsfilter, einem Strahlteiler und einem Emissionsfilter. Anregungsfilter bzw. Strahlteilerfilter werden so ausgewählt, dass sie den Teil des Spektrums der Lichtquelle durchlassen bzw. reflektieren, der für die Anregung des Farbstoffes in der Probe erforderlich ist. Die dann von der Probe emittierte Fluoreszenzstrahlung tritt durch den Strahlteiler und den Emissionsfilter hindurch, der zu einer weiteren Unterdrückung von gestreutem Anregungslicht fuhrt. Durch diese Kombination der Filter wird für eine Verbesserung des Kontrastes eines Fluoreszenzbildes gesorgt. Je nach Anordnung des Strahlenganges im Mikroskop kann der Strahlteiler auch weggelassen werden.

Oft werden bei Fluoreszenzexperimenten Filtersätze mit nur einem Wellenlängenband zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffes verwendet. Es gibt allerdings auch Multibandpassfiltersätze, die das gleichzeitige mehrfarbige Betrachten einer Fluoreszenzprobe oder das zeitlich schnelle sequentielle Wechseln der Spektralbereiche ermöglichen. Im Experiment kann so ein mehrfarbiger Eindruck von der Probe entstehen, der es ermöglicht gleichzeitig verschiedene Teile der Probe farblich hervorzuheben. Heutzutage sind Multibandpassfiltersätze mit zwei, drei oder vier Transmissionsbändern für die Fluoreszenzmikroskopie verfügbar. Diese Filter nennt man Doppel-, Tripel- bzw. Quadbandpassfilter. Insbesondere Tripel- und Quadbandpassfilter werden bei Experimenten zu z.B. FISH (Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung) verwendet. Wünschenswert für solche Experimente ist, dass alle Spektralbereiche der Lichtquelle im schnellen Wechsel oder simultan verfügbar sind. Neuerdings werden Leuchtdioden (LED) für die Beleuchtung in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Im Unterschied zu den Bogenlampen haben sie eine wesentlich höhere Lebensdauer und bieten optische Emissionsleistungen, die sich in einigen Spektralbereichen mit denen der Bogenlampen vergleichen lassen. Weitere Vorteile liegen in ihrer geringeren Wärmeentwicklung, ihrer höheren elektrisch zu optischen Effizienz, ihrer hohen Schaltgeschwindigkeit und ihrem engeren Emissionsspektrum. Hohe Schaltgeschwindigkeiten der Beleuchtungsvorrichtung sind beispielsweise in Experimenten vorteilhaft, bei denen ein mikroskopisches Objekt verfolgt wird („Object tracking") und bei Experimenten zur schnellen Konzentrationsmessung von Farbstoffen („Ratio Imaging"). Bei digitaler Aufzeichnung der Vorgänge können so Prozesse abgebildet werden, die Bildfrequenzen oberhalb von 50Hz erfordern.

Hochleistungsleuchtdioden sind heutzutage in nahezu allen für die Fluoreszenzmikroskopie relevanten Wellenlängenbereichen verfügbar. Eine Übersicht findet sich in Handbook of biological confocal microscopy (3rd. Edition Springer 2006, S. 126 ff.). Es werden heute bereits optische Ausgangsleistungen im Bereich mehrerer 100mW erreicht, wobei die spektrale Halbwertsbreite im Bereich von 5 bis 40nm liegt. Insbesondere in den Bereichen 405nm bis 445nm und von 550nm bis 580nm sind derzeit noch keine Hochleistungsleuchtdioden verfügbar.

Typische spektrale Halbwertsbreiten der Spektralkurven (Absorption und Emission) von

Fluoreszenzfarbstoffen liegen um etwa 30 nm.

Bei der gleichzeitig mehrfarbigen Beleuchtung von Fluoreszenzproben mit mehreren

LEDs ist besonderer Wert auf die räumliche und spektrale Kopplung der jeweils emittierten Lichtstrahlung der LEDs zu legen. Aufgrund der engen Emissionsspektren der LEDs sind auch diffraktiv wirkende Optiken hierfür geeignet. Breitbandige

Lichtquellen würden bei der spektralen Kopplung über diffraktive Elemente räumlich verschmieren, da deren Dispersion wellenlängenabhängig ist.

US20050224692 beschreibt ein Mikroskop mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit mehreren Anordnungen zur Kopplung von verschiedenfarbigen LEDs. Es wird die Kopplung der LEDs über ein gekittetes Mehrfachprisma, über dichromatische Spiegel, über ein einzelnes Prisma und über ein Gitter dargestellt. Dabei wird jeweils die Kopplung von 3 LEDs mit einem festen Emissionsspektrum beschrieben. Da LEDs jedoch schmale Emissionsspektren haben, wird mit einer derartigen Anordnung nur ein Teilbereich des Spektrums für Fluoreszenzexperimente abgedeckt. Eine Erweiterung des verfügbaren Spektralbereiches der Beleuchtungsvorrichtung durch modularen Wechsel der einzelnen LEDs und ggf. der Optiken zur Kopplung gegen LEDs mit einem anderen Spektrum wird nicht beschrieben.

DE 102005054184 beschreibt eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung, bei der Leuchtmittel wie LEDs in einer baumartigen Struktur durch Dichromaten miteinander gekoppelt werden. Nachfolgend sei die Einheit aus Leuchtmittel und zugehörigen Mitteln zur Strahl- und Spektralformung (Kollimation und Filterung) mit der mechanischen Fassung dieser Komponenten als Leuchtmodul bezeichnet. Ohne Beschränkung kann das Leuchtmittel selber wieder aus mehreren Lichtquellen bestehen wie beispielsweise einem Array von LEDs. Ohne Beschränkung sei die spektrale Halbwertsbreite eines Einzelspektrums eines Leuchtmoduls kleiner als 40nm. Nachgeordnete Mittel zur Strahlkopplung der Leuchtmodule seien nachfolgend als Koppelmodule bezeichnet. Vorzugsweise bestehen die Leuchtmodule in DE102005054184 aus mindestens einer LED, einem Filter und einer Kollimationsoptik, die zur Spektral- und Strahlformung der von der LED emittierten Lichtstrahlung dienen. Das Gesamtspektrum der Beleuchtungsvorrichtung setzt sich aus den Einzelspektren der Leuchtmodule zusammen, deren Emissionsstrahlungsleistungen unabhängig voneinander einstellbar sind. Insbesondere sind alle Einzelspektren simultan am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung verfugbar. Wie bereits zuvor beschrieben haben Leuchtdioden typische spektrale Halbwertsbreiten im Bereich von 5 - 40nm. Um die beschriebenen Vorteile von LEDs in der Fluoreszenzmikroskopie nutzen zu können, müsste eine LED-basierte multispektrale Beleuchtungsvorrichtung eine Vielzahl von verschiedenfarbigen LEDs enthalten, die zusammen nahezu den gesamten Spektralbereich sichtbaren und nahen infraroten Lichtes abdecken. So wären alleine für die vollständige Abdeckung des sichtbaren Spektralbereiches von ca. 350 bis 700 ran mindestens 10 verschiedenfarbige LEDs erforderlich. Es liegt auf der Hand, dass eine Beleuchtungsvorrichtung, die so viele LEDs umfasst, aufwendig zu bauen und teuer ist. Zudem ist der dafür erforderliche Bauraum groß und nimmt im Labor Platz weg. Für die Erweiterung des spektralen Abdeckungsbereiches wird in DE102005054184 die Fortsetzung der Baumstruktur vorgeschlagen. Eine derartige Erweiterung beinhaltet eine aufwendigere Gestaltung der Beleuchtungsvorrichtung, da dann mehr Leuchtmodule und mehr Koppelmodule in der Beleuchtungsvorrichtung untergebracht werden müssen.

In WO2006072886 wird eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Durchlicht- Fluoreszenzmikroskop beschrieben, bei dem einzelne Leuchtmodule bestehend aus jeweils einer LED, einer Optik und einem Filter über einen mechanisch wechselbaren Strahlteiler in einem Koppelmodul in das Mikroskop eingekoppelt werden. Die Leuchtmodule lassen sich einzeln von dem Koppelmodul ablösen und austauschen. Die beschriebene Beleuchtungsvorrichtung erlaubt lediglich die Kopplung von zwei Einzelspektren der drei Leuchtmodule. Der Wechsel zum dritten Leuchtmodul wird durch Umstecken des Koppelmoduls erreicht. Dadurch sind maximal zwei Einzelspektren der Leuchtmodule im Mikroskop simultan verfügbar. Eine Erweiterung auf drei oder mehr Leuchtmodule, deren Einzelspektren simultan am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung vorhanden sind, ist aufgrund der konstruktiven Lösung nicht möglich. Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine multispektrale Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop oder Reader bereitzustellen, die die simultane Beleuchtung mit allen Einzelspektren und den einfachen Wechsel eines Einzelspektrums für Experimente mit mehr als zwei Fluoreszenzfarbstoffen ermöglicht, wobei die Beleuchtungsvorrichtung gleichzeitig kompakt ausgeführt sein soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der multispektralen Beleuchtungsvorrichtung lassen sich aus den Unteransprüchen entnehmen.

Es ist eine Idee der Erfindung anstelle aller möglichen Leuchtmodule lediglich eine beschränkte Anzahl von Aufnahmepositionen für Leuchtmodule in der Beleuchtungsvorrichtung unterzubringen, dafür aber deren modularen Austausch der Leuchtmodule zu gewährleisten. Die erfindungsgemäße multispektrale Beleuchtungsvorrichtung enthält daher mindestens drei Aufnahmepositionen für Leuchtmodule und mindestens eine Aufhahmeposition für ein Koppelmodul zur Kopplung des von den Leuchtmodulen emittierten Lichtes. An den Aufnahmepositionen für Leuchtmodule können Leuchtmodule mit Hilfe dafür vorgesehener mechanischer Vorrichtungen mit der Beleuchtungsvorrichtung verbunden werden. An den Aufhahmepositionen für Koppelmodule gilt entsprechendes für die Koppelmodule. Die mechanischen Vorrichtungen können dabei mechanische Halterungen, Flansche, Drehgewinde oder andere Vorrichtungen sein. Die mechanischen Vorrichtungen an den Aufnahmepositionen sind dabei so ausgestaltet, dass die Leucht- oder Koppelmodule leicht aus ihnen zu lösen sind.

Sind die Aufhahmepositionen für Leuchtmodule mit Leuchtmodulen unterschiedlicher Einzelspektren besetzt, sind erfindungsgemäß über die entsprechend ausgestalteten und angeordneten Koppelmodule am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung alle Einzelspektren simultan verfügbar. Durch die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung können insbesondere Fluoreszenzexperimente mit bereits genannten Multibandpassfiltern an diese angepasst und durchgeführt werden. Insbesondere können für ein Experiment fehlende Wellenlängenbereiche bei Bedarf vom Nutzer nachgerüstet werden. Je nach Budget des Nutzers kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung auch zunächst mit weniger Leuchtmodulen bestückt werden als Ausnahmepositionen dafür verfugbar sind. Werden mehr als drei Fluoreszenzfarbstoffe in einem Experiment verwendet, tritt aufgrund der Breite ihrer Anregungs- und Emissionsspektren sogenannter „Crosstalk" auf. Crosstalk bedeutet den Überlapp der Anregungs- und/oder Emissionsspektren der Fluoreszenzfarbstoffe. Damit lassen sich diese nicht mehr einzeln anregen und müssen bei der Auswertung durch Techniken wie „spectral unmixing" nachträglich separiert werden. Daher werden in vielen Fluoreszenzexperimenten lediglich 2-3 verschiedene Farbstoffe verwendet. Für diesen Fall stellt die erfindungsgemäße modulare Beleuchtungsvorrichtung für jedes Experiment die passende Konfiguration von Leuchtmodulen und Koppelmodulen zur Verfügung.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die optischen Komponenten der Koppelmodule dichromatische Spiegel, Gitter, Prismen oder andere diffraktive Optiken oder eine Kombination dieser Optiken. Die Kopplung über diffraktive Optiken bietet dabei den Vorteil, dass weniger Koppelmodule benötigt werden, da die Kopplung schon über eine Optik erfolgen kann. Dichromatische Spiegel ermöglichen dahingegen einen kompakten Aufbau, bei dem die Leuchtmodule nach einem Wechsel zu einem anderen Leuchtmodul zudem nicht neu justiert werden müssen.

Vorteilhaft können die Leuchtmodule mit Mitteln zur Strahlformung und/oder Spektralformung ausgestattet werden. Besonders geeignete Mittel zur Strahlformung sind diffraktive Optiken und/oder Linsenarrays und/oder Linsen.

Geeignete Mittel zur Spektralformung sind optische Filter, die das Einzelspektrum eines Leuchtmoduls zusätzlich einschränken.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Aufhahmepositionen der leucht- und Koppelmodule mit einem Interlock ausgestattet, der bei Entfernen eines Leucht- oder Koppelmoduls alle Leuchtmodule der Beleuchtungsvorrichtung abschaltet. Durch diese Ausgestaltung wird der Schutz vor Augenbeschädigung bei der Verwendung von Hochleistungsleuchtdioden erreicht. Kein Leuchtmodul kann demzufolge Licht emittieren, wenn es nicht in der dafür vorgesehenen Aufnahmeposition angebracht ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befinden sich die Leuchtmodule und Koppelmodule der multispektralen Beleuchtungsvorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse. Hierdurch lässt sich ein einfacher Schutz der Beleuchtungsvorrichtung gegen Staub realisieren, da diese Beleuchtungsvorrichtung nicht so viele mechanische Schnittstellen und Öffnungen besitzt. Ausserdem sind die Leucht- und Koppelmodule gegen Dejustierung durch versehentliches Berühren geschützt. Weiterhin lässt sich in vorteilhafter Weise an dem Gehäusedeckel der Beleuchtungsvorrichtung ein Interlock anbringen, der bei Öffnen des Gehäuses alle Leuchtmodule ausschaltet. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung lassen sich die Leuchtmodule unabhängig voneinander an- und ausschalten und die Emissionsstrahlungsleistungen der Leuchtmodule unabhängig voneinander einstellen. Auf diese Weise kann die Beleuchtungsvorrichtung durch eine elektronische Steuerung wahlweise einen oder mehrere Farbkanäle der Probe gleichzeitig ansprechen und darüber hinaus die relative Intensität ihrer Kanäle unabhängig einstellen. So kann in vorteilhafter Weise die unterschiedliche spektrale Anregungseffϊzienz von Farbstoffen in der Fluoreszenzprobe elektronisch kompensiert werden und eine Aussteuerung der verschiedenen Farben der Probe in der Beobachtung erreicht werden. Besonders bevorzugt sind Leuchtdioden für den Einsatz als Leuchtmittel in den Leuchtmodulen geeignet, da sie eine spektrale Halbwertsbreite haben, die etwa der Halbwertsbreite von Fluoreszenzfarbstoffen entspricht. Bei entsprechender Abstimmung von Anregungsspektrum des Fluoreszenzfarbstoffes und Einzelspektrum einer Hochleistungsleuchtdiode kann eine effiziente Anregung erreicht werden. Darüber hinaus ermöglicht die geringe spektrale Breite der Emissionsspektren von LEDs deren spektrale Kopplung über dispersive Elemente. Jedoch auch Laserdioden sind als Leuchtmittel vorteilhaft, da sie eine sehr hohe spektrale Leuchtdichte besitzen und so in ausgewählten Experimenten eine selektive Anregung eines Fluoreszenzfarbstoffes ermöglichen. Ohne Beschränkung können die Leuchtmittel der Leuchtmodule mit Mitteln zur Frequenzkonvertierung und/oder Kohärenzzerstörung versehen sein. Durch eine Frequenzkonvertierung durch beispielsweise einen Farbstoff kann die Emission einer LED oder Laserdiode auf einen anderen Wellenlängenbereich verschoben werden. Gleichzeitig wird bei einer Laserdiode die in einigen Experimenten der Weitfeldmikroskopie störende Kohärenz zerstört. Um insbesondere die spektralen Lücken der Hochleistungsleuchtdioden mit einer modularen Beleuchtungsvorrichtung abzudecken, ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, eine fasergekoppelte, breitbandige Lichtquelle wie eine Quecksilber- , Xenon- oder Metalldampfbogenlampe anstelle eines Leuchtmoduls in die Beleuchtungsvorrichtung einzubinden. Hierbei wird das Leuchtmodul ersetzt durch ein Haltemodul für die Faser und weitere Optiken sowie Filter zur Anpassung der von der Faser ausgehenden Lichtstrahlung. So kann beispielsweise ein nicht vorhandener Spektralbereich der Beleuchtungsvorrichtung durch Anpassung des Filters der fasergekoppelten Lichtquelle und entsprechender Koppelmodule ersetzt werden. Ohne Beschränkung lässt sich die fasergekoppelte Lichtquelle auch an die Stelle mehrerer Leuchtmodule einbringen, wenn sie intern Mittel beinhaltet die von ihr ausgehende breitbandige Lichtstrahlung spektral aufzuteilen und diese Spektralanteile in verschiedene Fasern einzukoppeln. Darüber hinaus ist es wünschenswert, einen unkomplizierten Wechsel zwischen einer LED-basierten Beleuchtung und einer Beleuchtung mit einer breitbandigen Hochdruck- Bogenlampe zu vollziehen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Probe nur ein schwaches Fluoreszenzsignal abgibt und die Einstellung des Mikroskops oder des Readers auf die Probe erforderlich ist. Hier sind Hochdruck-Bogenlampen wegen der höheren spektralen Ausgangsleistung Hochleistungsleuchtdioden vorzuziehen. Erfindungsgemäß wird vor dem Ausgang der B eleuchtungs Vorrichtung ein verschiebbares Prisma oder ein klappbarer Spiegel oder eine sonstige Schaltoptik gebracht. Die Optik kann dabei wahlweise manuell oder motorisch in den Strahlengang gebracht werden und so die verschiedenen Betriebsmodi derselben festlegen. In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Beleuchtungsvorrichtung mit vier Aufnahmepositionen für Leuchtmodule ausgestattet. Die Beschränkung auf vier Aufnahmepositionen ist deswegen vorteilhaft, weil damit auch noch anspruchsvolle Experimente mit vier Wellenlängenbereichen wie bei Verwendung von Quadbandfiltem durchgeführt werden können, gleichzeitig die Beleuchtungsvorrichtung aber kompakt gestaltet werden kann. Die kompakte Ausführung ist insbesondere dann möglich, wenn die Module in einer binären Baumstruktur angeordnet sind.

Eine vorteilhafte Ausführung der 4-kanaligen Beleuchtungsvorrichtung lässt sich erfindungsgemäß durch die geeignete Wahl von Dichromaten erreichen. So ist es günstig, die Leuchtmodule in Farbbereiche einzuteilen, die sich in jeweils einem zusammenhängenden Spektralbereich befinden. Zur Kopplung der LEDs aus diesen Farbbereichen sind Langpassfilter mit einer Flanke an dem Ort des Überganges von einem Farbbereich zu dem nächsten vorteilhaft. Bei der Wahl derartiger Langpassfilter können die Leuchtmodule in den Farbbereichen ohne Wechsel der Koppelmodule ausgetauscht werden.

Aufgrund der beschränkten Anzahl von Leuchtmodulen in der multispektralen B eleuchtungs Vorrichtung kann es in Einzelfällen erforderlich sein, mehr Einzelspektren gleichzeitig am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung simultan zur Verfügung zu stellen. Erfindungsgemäß lässt sich dies dadurch realisieren, indem mehrere Beleuchtungsvorrichtungen ihrerseits über geeignete Optiken zur Kopplung miteinander gekoppelt werden. So ist beispielsweise denkbar, dass eine erste Beleuchtungsvorrichtung den Spektralbereich 350 - 500nm abdeckt und eine weitere den Spektralbereich 500 - 650nm. Über einen geeignet angeordneten Dichromaten lassen sich dann die beiden Beleuchtungsvorrichtungen einfach miteinander koppeln und gemeinsam in das Mikroskop oder den Reader einkoppeln. Erfindungsgemäß weist eine derartige Beleuchtungsvorrichtung Vorbereitungen für eine mechanische und optische Kopplung mehrerer Beleuchtungsvorrichtungen auf.

Des Weiteren erfordert die Ankopplung der Beleuchtungsvorrichtung an verschiedene Mikroskoptypen verschiedene Anpassoptiken, die dafür sorgen, dass das Licht der Beleuchtungsvorrichtung optimal in das Mikroskop eingekoppelt wird. Dies betrifft insbesondere die Lage der Leuchtfeld- und Aperturblenden-Ebenen. Anstatt derartige Anpassoptiken fest in die Beleuchtungsvorrichtung zu integrieren, ist es ein weiterer Aspekt der Erfindung hierfür separate Zwischenadapter mit einer Optik bereitzustellen. Diese Adapter weisen die für Mikroskope typischen mechanischen Schnittstellen auf und sind für den jeweiligen Mikroskoptyp optimiert.

Obwohl die Beschränkung auf 4 Beleuchtungskanäle besonders vorteilhaft ist, mag es in einzelnen Fällen erforderlich sein, dass mehr Wellenlängenbänder in schnellem Wechsel von der Beleuchtungsvorrichtung bereitgestellt werden. Es ist daher ein weiterer Aspekt der Erfindung die Beleuchtungsvorrichtung ihrerseits modular auszugestalten, so dass sich mehrere Beleuchtungsvorrichtungen koppeln lassen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass beispielsweise am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung ein wechselbarer Dichromat sitzt, der als ein Langpassspiegel ausgeführt ist. Werden beispielsweise von einer ersten Beleuchtungsvorrichtung die Wellenlängenbereiche von 350 - 500nm bereitgestellt, so kann mit einer weiteren Beleuchtungsvorrichtung der Wellenlängenbereich von z.B. 500 - 650 nm abgedeckt werden. Die Kopplung erfolgt dabei über einen Dichromaten in der ersten Beleuchtungsvorrichtung, der ein Langpassfϊlter mit einer Flanke bei 500nm ist. Ohne Beschränkung können auf diese Weise mehrere Beleuchtungsvorrichtungen gekoppelt werden.

Oben beschriebene Beleuchtungsvorrichtungen sind für die Fluoreszenzbeleuchtung von Proben geeignet. In der Fluoreszenzmikroskopie unterscheidet man die Auflichtfluoreszenz, bei der das Anregungslicht von derselben Seite auf die Probe trifft, von der die Probe auch beobachtet wird. Bei der in preiswerteren Mikroskopsystemen verwendeten Durchlichtfluoreszenz wird die Probe in Durchlicht bestrahlt, Beleuchtung und Beobachtung geschehen von gegenüberliegenden Seiten. Nachteil dieser Durchlichtfluoreszenz ist, dass die Anregungsstrahlung in voller Stärke auf den Emissionsfilter trifft und außerdem bei dicken Proben eine schwächere und stärker streuende Anregung der Probe stattfindet. Insbesondere LEDs sind allerdings für die Durchlichtfluoreszenz besonders geeignet, weil ihr Spektrum im Vergleich zu sonst verwendeten Hochdruck-Bogenlampen schmal ist. Das Anregungslicht lässt sich durch hochwertige Filter gut aus dem Beobachtungsstrahlengang, der die Probe mit dem Detektor oder Beobachter verbindet, unterdrücken. Ein sicherheitsrelevanter Nachteil der Durchlichtfluoreszenzbeleuchtung ist, dass bei versehentlichem Entfernen der Fluoreszenzfilter aus dem Strahlengang der Beleuchtung und Beobachtung die voll Leistung der Lichtquelle direkt auf den Beobachter trifft. Bei in der Fluoreszenzmikroskopie üblichen Quecksilberbogenlampen wäre dies bis zu 100W Lichtleistung, die zu einer starken Schädigung des Auges führen können. LED-basierte Lichtquellen haben in der Durchlichtfluoreszenzbeleuchtung dagegen den Vorteil, dass in der Regel lediglich ein Leuchtmodul mit einem Wellenlängenband angeschaltet ist, dessen Lichtleistung im Bereich von maximal einigen 100mW liegt.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen multispektralen

Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens drei Aufhahmepositionen für

Leuchtmodule und mindestens Aufhahmeposition für ein Koppelmodul, Fig. 2: ein Ausführungsbeispiel einer multispektralen Beleuchtungsvorrichtung mit

Koppelmodulen, die dichromatische Strahlteiler enthalten, Fig. 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer multispektralen

Beleuchtungsvorrichtung mit einem Koppelmodul, das eine diffraktive Optik zur

Spektralkopplung enthält,

Fig. 4: den beispielhaften Aufbau eines Leuchtmoduls, Fig. 5: normierte Emissionsspektren von verfügbaren Hochleistungsleuchtdioden und

Lücken in der Verfügbarkeit von Hochleistungsleuchtdioden, Fig. 6: die Aufteilung der Emissionsspektren der Leuchtmodule in verschiedene

Farbbänder, Fig. 7: die Emissionsspektren zweier Hochleistungsleuchtdioden und den Verlauf der

Reflexionskurve eines dichromatischen Strahlteilers zur spektralen Kopplung der Einzelspektren und Fig. 8. ein weiteres Ausführungsbeispiel einer multispektralen

Beleuchtungsvorrichtung mit weiteren optischen Elementen.

Fig.1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen multispektralen Beleuchtungsvorτichtung 1. Die mindestens drei Aufhahmepositionen für Leuchtmodule 22 und mindestens eine Aufhahmeposition für Koppelmodule 23 ermöglichen die Kopplung von verschiedenen Einzelspektren 3a - 3c. Bei geeigneter Wahl der nicht dargestellten Leuchtmodule und Koppelmodule sind am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung 5 alle Einzelspektren 3 der Leuchtmodule in einem Gesamtspektrum 6 simultan verfügbar sind. Die Einzelspektren 3 sind dabei wahlweise durch die nicht dargestellte Steuerelektronik der Leuchtmodule oder durch Shutter unabhängig voneinander an- und auszuschalten. Darüber hinaus lassen sich die Emissionsstrahlungsleistungen der Leuchtmodule unabhängig voneinander einstellen, wodurch für das resultierende Gesamtspektrum 6 eine hohe Flexibilität in der spektralen Emission entsteht. Insbesondere läßt sich durch diese Kopplung ein schneller Wechsel zwischen verschiedenen Einzelspektren elektronisch erreichen. Will der Anwender für sein Experiment einen anderen Fluoreszenzfarbstoff mit der multispektralen Beleuchtungsvorrichtung effizient anregen, so kann er dies durch Austausch eines oder mehrerer Leuchtmodule erreichen und so die Lichtquelle optimal seinem Experiment anpassen.

Fig. 2 stellt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung dar. Die vier Leuchtmodule 2a - 2d der multispektralen Beleuchtungsvorrichtung sind hier in einem gemeinsamen Gehäuse 18 untergebracht. Die Koppelmodule 4a - 4c sind ohne Halter dargestellt. Die Optiken der Koppelmodule sind dichromatische Spiegel, die jeweils auf die Einzelspektren der ihnen vorgeordneten Leuchtmodule 2a - 2d abgestimmt sind. Wird beispielsweise Leuchtmodul 2a ausgetauscht gegen ein Leuchtmodul mit einem anderen Einzelspektrum, so ist gegebenenfalls das Koppelmodul 4a gegen ein geeignetes auszutauschen. Anzumerken ist, dass bei der Kopplung über dichromatische Spiegel die Position der Leuchtmodule bei einem Wechsel nicht neu bezüglich des Strahlenganges zu justieren ist. Dieser Vorteil begünstigt den einfachen Wechsel der Leuchtmodule. Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei werden die Leuchtmodule 2e - 2g über ein Koppelmodul 4d spektral gekoppelt, das eine diffraktive Optik enthält. Bezugszeichen 8 bezeichnet die Mittenstrahlen der Strahlengänge. Bedingt durch die wellenlängenabhängige Wirkung von diffraktiven Optiken ist daher bei dem Wechsel eines Leuchtmoduls dessen Position bezüglich der diffraktiven Optik anzupassen. In der Figur sind daher beispielhaft zwei weitere Positionen 7a und 7b für ein Leuchtmodul 2g angezeigt. Position 7a wäre beispielhaft dann zu wählen, wenn die Mittenwellenlänge des Einzelspektrums des neuen Leuchtmoduls unterhalb der des alten Leuchtmoduls liegt. Entsprechend umgekehrt verhielte es sich, wenn die Mittenwellenlänge oberhalb der des alten Leuchtmoduls liegt. Ohne Einschränkung kann dieser Effekt abhängig vom Vorzeichen der Dispersion der diffraktiven Optik genau umgekehrt sein. Gegenüber dem ersten Ausfuhrungsbeispiel in Fig. 2 werden für diese Ausfuhrung weniger Koppelmodule und darin enthaltene Optiken benötigt. Dafür müssen ausgetauschte Module neu bezüglich des Strahlenganges justiert werden, um die optimale Ausnutzung der von ihnen ausgestrahlten optischen Leistung zu erreichen. Darüber hinaus ist leicht zuerkennen, dass für die Einbringung von Austauschmodulen an Positionen 7a und 7b ein seitlicher Mindestabstand zwischen den Leuchtmodulen einzuhalten ist und bedingt durch die bauliche Größe der Leuchtmodule der Abstand zwischen den Leuchtmodulen und dem Koppelmodul 4d groß wird. Fig. 4 stellt den beispielhaften Aufbau eines Leuchtmoduls 2 dar. Es besteht aus einem Leuchtmittel 9, einer Optik zur Strahlformung 10 und einer Optik zur Spektralformung 11. Gehalten werden die Einzelkomponenten in einem gemeinsamen Gehäuse 12. Es ist von besonderem Vorteil, wenn die Leuchtmodule chromatisch korrigiert sind, so dass sie an jede beliebige Position der Beleuchtungsvorrichtung gesetzt werden können, ohne dass ihre Position in Richtung der optischen Achse, die vom Leuchtmittel zum Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung führt, korrigiert werden muss. Dies kann erreicht werden, indem die strahlformende Optik 10 in geeigneter Weise bezüglich des Leuchtmittels 9 verschoben wird. Hierbei wird die im Allgemeinen wellenlängenabhängige Wirkung der Optik 10 genutzt. Vorteilhafterweise ist die strahlformende Optik 10 eine kurzbrennweitige Linse, damit sie einen großen Anteil der von dem Leuchtmittel in alle Raumwinkel emittierten Strahlung kollimieren kann. Die spektralformende Optik 11 ist vorzugsweise ein auf das Emissionsspektrum des Leuchtmittels 9 abgestimmter Bandpass-Filter. Mit Hilfe dieses Filters können beispielsweise die langen Ausläufer des Spekrums einer Leuchtdiode unterdrückt werden, um so bei einem Fluoreszenzexperiment mit mehreren Farbstoffen den Kontrast des Bildes zu verbessern.

Fig. 5 zeigt eine Auswahl von Einzelspektren 3 von Hochleistungsleuchtdioden. Die Spektren sind normiert über der Wellenlänge dargestellt. Insbesondere in den Bereichen 405nm bis 445nm 14 und 550nm bis 580nm 15 sind derzeit noch keine Hochleistungsleuchtdioden verfügbar, die dort eine starke Emissionsstrahlungsleistung haben. Gerade im Bereich 15 liegen jedoch die Anregungsspektren einiger wichtiger Fluoreszenzfarbstoffe, so dass es wünschenswert ist, mit der multispektralen Beleuchtungsvorrichtung auch diesen Spektralbereich abzudecken. Erfϊndungsmäß wird dies durch eine breitbandige Lichtquelle wie eine Quecksilber-, Xenon- oder Metalldampfbogenlampe erreicht, die anstelle eines Leuchtmoduls in die Beleuchtungsvorrichtung eingebunden wird. Hierbei kann ein Leuchtmodul beispielsweise durch ein Haltemodul für eine Faser, in die die Strahlung der breitbandigen Lichtquelle eingekoppelt wird, und weitere Optiken sowie Filter zur Anpassung der von der Faser ausgehenden Lichtstrahlung, ersetzt werden. Ohne Beschränkung lässt sich die fasergekoppelte Lichtquelle auch an die Stelle mehrerer Leuchtmodule einbringen, wenn sie intern Mittel beinhaltet die von ihr ausgehende breitbandige Lichtstrahlung spektral aufzuteilen und diese Spektralanteile in verschiedene Fasern einzukoppeln. Vorteilhafterweise würden die Teilspektren die Bereiche 14 und 15 in Fig. 5 abdecken.

Fig. 6 stellt die Aufteilung der möglichen Einzelspektren von Leuchtmodulen einer multispektralen Beleuchtungsvorrichtung in verschiedene, nicht überlappende Farbbereiche 16a - 16d dar. Unter der Voraussetzung, dass Leuchtmodule eines Farbbereiches nicht gleichzeitig in die multispektrale Beleuchtungsvorrichtung eingebunden werden müssen, lässt sich so mit drei dichromatischen Strahlteilern, deren Flanken genau auf den Grenzlinien der Farbbereiche liegen und die als Langpässe ausgebildet sind, eine kostengünstige Beleuchtungsvorrichtung bereitstellen, da für den Wechsel der Leuchtmodule in einem Farbbereich nicht auch ein Wechsel der nachgeordneten Koppelmodule zu erfolgen hat. In Fig. 6 sind als Dichromate Langpassfilter mit einer Flanke bei etwa 425nm, 485nm und 570nm zu wählen.

Besteht dennoch in einem Experiment die Anforderung, dass zwei spektral nahe Farbstoffe anzusprechen sind, so ist der dichromatische Strahlteiler entsprechend Fig. 7 anzupassen. Hierbei sind 3d und 3e Einzelspektren zweier Leuchtmodule, die mit einem dichromatischen Strahlteiler, dessen Transmissionskurve 17 dargestellt ist, gekoppelt werden. Aus dieser Figur wird auch klar, dass in diesem Falle die nicht dargestellten resultierenden Einzelspektren beschnitten werden, da beispielsweise Einzelspektrum 3e durch den Strahlteiler hindurchtritt und den links der Flanke bei etwa 525nm liegenden Flanke liegenden Teil verliert, während Einzelspektrum 3d bei Reflexion am Strahlteiler den rechts der Flanke liegenden Teil verliert.

Fig. 8 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Zusätzlich zu den bereits zu Fig. 2 beschriebenen Komponenten sind hier weitere Optiken enthalten. So bezeichnet 13 eine Linse zur Anpassung der von den Leuchtmodulen emittierten Strahlung an die Eintrittsebene eines Lichtmischstabes 19, der vorteilhafterweise zur räumlichen Homogenisierung der Lichtstrahlung am Ausgang der multispektralen Beleuchtungsvorrichtung eingesetzt wird. Des weiteren ist eine Optik 20 dargestellt, die manuell oder motorisch in den Strahlengang der Beleuchtungsvorrichtung gebracht werden kann. So kann in einfacher Weise beispielsweise das Licht einer breitbandigen Lichtquelle 21 in die Beleuchtungsvorrichtung eingekoppelt werden. Bezugszeichenliste

Beleuchtungsvorrichtung

Leuchtmodul

Einzelspektrum

Koppelmodul

Beleuchtungsvorrichtung Ausgang

Gesamtspektrum

Position

Mittelstrahlen der Strahlengänge

Leuchtmittel

Optik (strahlformend)

Optik (spektralformend) , 18 Gehäuse

Linse , 15, 16 Bereich (nm)

Transmissionskurve

Lichtmischstab

Optik

Lichtquelle (breitbandig)

Leuchtmodul

Koppelmodul

Claims

Patentansprüche

1. Multispektrale Beleuchtungsvorrichtung (1) für ein Mikroskop oder Reader bestehend aus Aufhahmepositionen für Leuchtmodule (22) und Aufhahmepositionen für Koppelmodule (23), gekennzeichnet dadurch, dass die Beleuchtungsvorrichtung mindestens drei Aufhahmepositionen für Leuchtmodule (22) und mindestens eine Aufhahmeposition für Koppelmodule (23) enthält, die mechanischen Vorrichtungen zur Verbindung der Leuchtmodule (2) oder Koppelmodule (4) an den Aufhahmepositionen (22, 23) mit der Beleuchtungsvorrichtung (1) so ausgelegt sind, dass die Leuchtmodule (2) oder Koppelmodule (4) leicht wechselbar sind, und die Aufhahmepositionen (22, 23) so angeordnet sind, dass bei geeigneter Wahl der Leuchtmodule (2) und Koppelmodule (4) am Ausgang der Beleuchtungsvorrichtung (5) alle Einzelspektren (3) der Leuchtmodule in einem Gesamtspektrum (6) simultan verfügbar sind.

2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelmodule (4) aus einem Halter und optischen Komponenten bestehen und die optischen Komponenten dichromatische Spiegel, Gitter, Prismen, diffraktive Optiken oder eine Kombination dieser Optiken sind.

3. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmodule (2) mindestens ein Leuchtmittel (9), mindestens ein Mittel zur Strahlformung (10) und/oder mindestens ein Mittel zur Spektralformung (11) beinhalten.

4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strahlformung (10) diffraktive Optiken und/oder Linsenarrays und/oder Linsen und die Mittel zur Spektralformung (11) Filter umfassen.

5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Aufhahmepositionen für die Leucht- und Koppelmodule (22, 23) Interlocks vorgesehen sind, die bei dem Entfernen eines Moduls alle Leuchtmodule (2) der Beleuchtungsvorrichtung (1) abschaltet.

6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmodule (2) und die Koppelmodule (4) in einem gemeinsamen Gehäuse (18) enthalten sind.

7. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) mit einem Interlock, der bei Öffnen des Gehäuses (18) die Leuchtmodule (2) abschaltet, ausgestattet ist.

8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmodule (2) unabhängig voneinander an- und ausschaltbar sind.

9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsstrahlungsleistungen der Leuchtmodule (2) unabhängig voneinander einstellbar sind.

10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmittel (9) der Leuchtmodule (2) aus mindestens einer LED bestehen.

11. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leuchtmittel (9) der Leuchtmodule (2) eine Laserdiode ist.

12. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Leuchtmodul (2) durch eine fasergekoppelte breitbandige Lichtquelle ersetzt wird.

13. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine fasergekoppelte Lichtquelle (21) über eine mechanisch oder elektrisch schaltbare Optik (20) in den Strahlengang der Beleuchtungsvorrichtung (1) gebracht wird.

14. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Optik (20) ein verschiebbares Prisma oder ein schwenkbarer Spiegel ist.

15. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) Aufhahmepositionen (22) für genau vier Leuchtmodule (2) enthält.

16. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtmodule (2) baumartig angeordnet sind.

17. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung (1) drei Dichromaten enthält, die die verfugbaren Leuchtmodule (2) in vier Farbbereiche (16) unterteilt.

18. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie die Kopplung mehrerer Beleuchtungsvorrichtungen ermöglicht.

19. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anpassung der Beleuchtungsvorrichtung (1) an ein Mikroskop oder Reader über einen wechselbaren Zwischenadapter vorgenommen wird.