WO2014131631A1 - Photoakustisches mikroskop - Google Patents

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WO2014131631A1
WO2014131631A1 PCT/EP2014/052909 EP2014052909W WO2014131631A1 WO 2014131631 A1 WO2014131631 A1 WO 2014131631A1 EP 2014052909 W EP2014052909 W EP 2014052909W WO 2014131631 A1 WO2014131631 A1 WO 2014131631A1
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WO
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sample
microscope according
pressure sensor
photoacoustic microscope
objective
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/052909
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Schmitt-Manderbach
Gerhard Krampert
Wibke Hellmich
Thomas Nobis
Matthias Wald
Helmut Lippert
Original Assignee
Carl Zeiss Ag
Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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Publication date
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    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
    • G01N29/0654—Imaging
    • G01N29/0681—Imaging by acoustic microscopy, e.g. scanning acoustic microscopy
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    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic microscope with an objective optical module which directs electromagnetic radiation into a sample to generate pressure waves, and an acoustic module for detecting the generated pressure waves.
  • the pressure waves arise because at least part of the energy introduced by the electromagnetic radiation is absorbed by structures in the sample, which leads to local heating and subsequent thermoelastic expansion and thus to a sound wave.
  • the sound wave is in the propagation through the sample when this z. B. is a biological sample, very little scattered and can therefore serve to produce a spatially resolved image.
  • piezoelectric transducers are frequently used which, on the one hand, require a relatively large amount of space and, on the other hand, require acoustic contact with the sample (eg via water, ultrasound gel, etc.).
  • typical working distances in light microscopy are usually a few millimeters, making efficient (i.e., coaxial) placement of a transducer difficult without disturbing the beam path for the electromagnetic radiation to generate the pressure waves.
  • a photoacoustic microscope having an objective optical module which directs electromagnetic radiation into a sample to generate pressure waves and an acoustic module for detecting the generated pressure waves, the acoustic module comprising a pressure sensor having an optically detectable property, and a Read unit includes, which detects the pressure-dependent property of the pressure sensor optically via the lens.
  • the optical detection of the pressure sensor via the lens it is possible to place the pressure sensor at a position detectable by the lens, at which the pressure sensor leads to no or no significant deterioration for the optical imaging capability of the microscope.
  • the readout unit may perform interferometric-optical detection. As a result, a very accurate pressure measurement is possible.
  • the pressure sensor can be designed as a Fabry-Perot cavity resonator.
  • the optical module can direct focused electromagnetic radiation into the sample, the optical module can focus the electromagnetic radiation into the sample, or the optical module can collimated the electromagnetic radiation into the sample.
  • the photoacoustic microscope may include a motion module for relatively moving the electromagnetic radiation and the sample.
  • the pressure sensor may comprise a sensor material that is sound-induced
  • the readout unit may be formed as an interferometer with a measuring arm and a reference arm, wherein the pressure sensor is arranged in the measuring arm.
  • the interferometer can be designed, for example, as a Michelson interferometer or as a Mirau interferometer.
  • the interferometer as an imaging interferometer.
  • the pressure sensor may be attached to the lens. So the pressure sensor z. B. be attached directly to the lens or the corresponding lens barrel or via a damping element on the lens or lens barrel. This leads to a very compact training.
  • the pressure sensor may be spaced from the lens. He can be arranged between the sample and the lens. So can the pressure sensor for example, be arranged on a cover glass and are in direct contact with the sample.
  • the pressure sensor can be spaced from the objective and the sample can be arranged between the objective and the pressure sensor.
  • the pressure sensor may be transparent to the electromagnetic radiation directed into the sample by the optics module to generate the pressure waves (eg, in the range of 300-1200 nm) and so positioned in front of the sample-side end of the objective the loading of the sample with the electromagnetic radiation through the pressure sensor takes place.
  • the pressure waves eg, in the range of 300-1200 nm
  • the objective can be designed as an immersion objective.
  • the photoacoustic microscope may comprise a lighting module for illuminating the sample and an imaging module having the objective for optically imaging the sample.
  • a photoacoustic recording and, on the other hand, an optical recording can be carried out with the photoacoustic microscope according to the invention.
  • the electromagnetic radiation that is focused into the sample to generate pressure waves may be pulsed radiation, laser radiation and, in particular, pulsed laser radiation.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation may range from 300 nm to 3 ⁇ m, preferably 300 nm to 1300 nm, 300 nm to 1000 nm, 300 nm to 700 nm, 700 nm to 3 ⁇ m, 700 nm to 1300 nm or 700 nm to 1000 nm act.
  • the pulse length for pulsed radiation may be in the range of ns.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation for generating the pressure waves and the wavelength for optically detecting the pressure-dependent property of the pressure sensor may differ.
  • the photoacoustic microscope may include a control module that generates image data based on the data of the acoustic module.
  • the photoacoustic microscope can be designed, for example, as a laser scanning microscope. It can be designed as a reflected-light microscope or as an inverted microscope.
  • the photoacoustic microscope can have further modules and / or units known to the person skilled in the art, which are necessary for the operation of the microscope.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an embodiment of the photoacoustic microscope according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the sample-side end of the objective 4 together with the sample 3 according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows an enlarged detail view of the pressure sensor 9 according to FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a representation according to FIG. 2 of a further embodiment of the microscope according to the invention.
  • FIG. 5 shows an illustration according to FIG. 2 of a further embodiment of the photoacoustic microscope according to the invention
  • FIG. 6 shows a representation of the sample-side end of the objective of a further embodiment of the photoacoustic microscope together with a sample chamber
  • the photoacoustic microscope 1 comprises an optical module 2 for illuminating a sample 3 and an imaging module 5 having an objective 4 for imaging the sample 3.
  • the objective 4 is designed as an immersion objective. Therefore, in the schematic representation of FIG. 1 next to the sample 3, which lies between a cover glass 6 and a slide 7, an immersion medium 8 between the cover glass 6 and the cover glass 6 facing the end of the lens 4 is located.
  • the microscope 1 comprises a pressure sensor 9 which is arranged on the cover glass 6 or the sample 3 facing the end of the lens 4, a control module 10 and an output unit 1 first
  • the optical module 2 can be controlled so that it pulsed electromagnetic radiation in the range of z. B. 300 nm - 3 ⁇ (hereinafter also called excitation radiation) generated, which focuses on a deflection unit 12 contained in the optical module 2 and the lens 4 in the sample 3 (eg, as a focus spot) and is moved in this.
  • excitation radiation electromagnetic radiation
  • Part of the energy introduced is absorbed by structures in the sample 3, which leads to a local heating and subsequent thermoelastic expansion and thus to a pressure or sound wave.
  • the sound wave is when the sample 3 z.
  • a biological sample is scattered very little in the propagation through the sample 3 and therefore can serve to produce a spatially resolved image, with a high penetration depth in the imaging of, for example, greater than 1 mm is possible.
  • the pressure sensor 9 serves to detect the sound waves.
  • the lens 4 comprises a lens barrel 13 and a front lens 14.
  • the pressure sensor 9 is arranged, for the pulsed Excitation radiation, which is applied to the sample 3 to generate the pressure waves, is transparent. Therefore, it is possible that the pressure sensor 9 completely covers the front side of the front lens 14, as in the described embodiment.
  • the pressure sensor 9 is connected to the control module 10 as shown schematically in FIG.
  • the control module 10 may generate image data based on the measurement data of the pressure sensor 9, so that photoacoustic imaging is realized.
  • the image data can be displayed, for example, via the output unit 1 1.
  • the pressure sensor 9 is a sensor which has an optically detectable pressure-dependent property.
  • Fig. 3 is an enlarged section of the pressure sensor 9 is shown, which can be referred to as a Fabry-Perot sensor and a first support plate 15 and a second spaced therefrom carrier plate 16, which each have a mirror coating 17 and 18 on their sides facing each other , Between the two support plates 15 and 16, a sensor material 19 is arranged, which shows sound-induced density variations. As a sensor material z.
  • the mirror coating 17, 18 is of course chosen so that the required transparency of the pressure sensor 9 is present for the excitation radiation 26.
  • the optical readout of the pressure sensor 9 takes place via the objective 4 (with the aid of, for example, a narrow-band light source, such as a laser, for example, and an optical detector, which may be included in the optics module 2, for example), so that the optical functionality of the lens 4 is not limited.
  • the readout radiation 27 is schematically indicated by dotted lines, the wavelength of the readout radiation 27 being different from the wavelength of the excitation radiation 26.
  • the high numerical aperture of the immersion objective 4 can be used to produce a very small focus in the sample 3 for exciting the pressure waves.
  • a localized excitation of the sample 3 with the pulsed excitation radiation 26 for example laser radiation with ns pulses
  • the excitation radiation 26 generating the pressure waves can scan the sample 3 in a plane perpendicular to the optical axis 22 of the objective 4.
  • the excitation radiation 26 can scan the sample 3 in the direction of the optical axis 22 by adjusting the focal plane of the excitation radiation 26 accordingly. Alternatively or additionally, of course, the sample 3 can be moved accordingly.
  • the sample preparation can be carried out as usual in light microscopy.
  • the microscope 1 according to the invention thus has an additional functionality. With it a photoacoustic image can be generated.
  • the objective 4 can be used for conventional optical imaging.
  • the scanning of the pressure sensor 9 and the excitation of the sample 3 via the objective 4 and thus via the same optical system thus take place in an advantageous manner.
  • FIG. 4 shows a modification of the previously described microscope according to the invention.
  • the pressure sensor 9 is not arranged on the objective 4, but on the side of the cover glass 6 facing the sample 3 and thus between the cover glass 6 and the sample 3.
  • FIG. 5 shows a further modification in which the pressure sensor 9 is arranged on the side of the slide 7 facing the sample 3 and thus between the sample 3 and the slide 7.
  • a further modification is shown. This concerns the investigation of larger samples 3, which in a z. B. water-filled sample chamber 23 are arranged.
  • the microscope according to the invention according to FIGS. 1 to 3 is used.
  • a ring seal 24 is provided for sealing between the lens 4 and the sample chamber 23 for sealing between the lens 4 and the sample chamber 23 for sealing between the lens 4 and the sample chamber 23 for sealing between the lens 4 and the sample chamber 23 for sealing between the lens 4 and the sample chamber 23 .
  • FIG. 7 shows a further modification in which the pressure sensor 9 is arranged on an inner window 25 in the sample chamber 23.
  • the interferometer of the sensor 9 has always been designed as a pure Fabry-Perot interferometer.
  • the interferometer of the sensor 9 it is also possible to use the interferometer of the sensor 9 as a Michelson interferometer with a Fabry-Perot Cavity resonator perform in one arm of the interferometer.
  • this can be done instead of a Michelson geometry with a Mirau geometry of the interferometer.
  • This is advantageous since unwanted phase differences in the sensor material 19 can be compensated by compensation elements (phase plate) in the reference arm of the interferometer (Michelson or Mirau).
  • these interferometers can be designed to image, as is known in the art.
  • the fact that the interferometer is designed to be imaging can be used to determine not only the strength but also the direction of the pressure wave (acoustic wave).
  • the optical detection of the interferometer not only with a detector, but with a plurality of detectors, which can be assigned due to the imaging of certain spatial areas of the sensor material 19, carried out.
  • a discrimination against echo artifacts can also be carried out with these multiple detectors.
  • the readout light of the interferometer is focused into the pupil of the microscope objective 4.
  • the incoming and outgoing beam can be separated from each other by means of a polarization optics or an optical isolator and the returning beam can, for. B. be focused over a microlens array on a photodetector array.
  • the incoming and outgoing beam can also be separated by a pupil division.
  • the pressure sensor 9 can also be formed as a flexible membrane whose vibration is measured optically, z. B. with a laser vibrometer.

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Abstract

Es wird ein photoakustisches Mikroskop mit einem ein Objektiv (4) aufweisenden Optikmodul (2), das elektromagnetischer Strahlung in eine Probe (3) richtet, um Druckwellen zu erzeugen, und einem Akustikmodul (9, 10) zur Detektion der erzeugten Druckwellen bereitgestellt, wobei das Akustikmodul (9, 10) einen Drucksensor (9), der eine optisch detektierbare druckabhängige Eigenschaft aufweist, und eine Ausleseeinheit aufweist, die die druckabhängige Eigenschaft des Drucksensors (9) optisch über das Objektiv (4) detektiert.

Description

Photoakustisches Mikroskop
Die vorliegende Erfindung betrifft ein photoakustisches Mikroskop mit einem ein Objektiv aufweisenden Optikmodul, das elektromagnetische Strahlung in eine Probe richtet, um Druckwellen zu erzeugen, und einem Akustikmodul zur Detektion der erzeugten Druckwellen.
Die Druckwellen entstehen, da zumindest ein Teil der mit der elektromagnetischen Strahlung eingebrachten Energie von Strukturen in der Probe absorbiert wird, was zu einer lokalen Aufheizung und nachfolgenden thermoelastischen Expansion und somit einer Schallwelle führt. Die Schallwelle wird bei der Propagation durch die Probe, wenn diese z. B. eine biologische Probe ist, sehr wenig gestreut und kann daher zur Erzeugung eines ortsaufgelösten Bildes dienen. Es ist eine hohe Eindringtiefe bei der Bildgebung von größer als ein Millimeter möglich. Schwierig ist jedoch die Detektion der erzeugten Druckwellen mit dem Akustikmodul. So werden häufig Piezo-Transducer eingesetzt, die einerseits relativ viel Platz und andererseits einen akustischen Kontakt zur Probe (z. B. über Wasser, Ultraschallgel, etc.) benötigen. Typische Arbeitsabstände in der Lichtmikroskopie sind jedoch meist wenige Millimeter, wodurch eine effiziente (d.h. koaxiale) Platzierung eines Transducers schwierig ist, ohne dabei den Strahlengang für die elektromagnetische Strahlung zur Erzeugung der Druckwellen zu stören.
Ausgehend hiervon ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein photoakustisches Mikroskop bereitzustellen, mit dem eine gute akustische Detektion der erzeugten Druckwellen möglich ist, ohne die optischen Eigenschaften des Mikroskopes unnötig zu verschlechtern.
Die Aufgabe wird durch ein photoakustisches Mikroskop mit einem ein Objektiv aufweisenden Optikmodul, das elektromagnetische Strahlung in eine Probe richtet, um Druckwellen zu erzeugen, und einem Akustikmodul zur Detektion der erzeugten Druckwellen gelöst, wobei das Akustikmodul einen Drucksensor, der ein optisch detektierbare Eigenschaft aufweist, und eine Ausleseeinheit umfaßt, die die druckabhängige Eigenschaft des Drucksensors optisch über das Objektiv detektiert.
Durch die optische Detektion des Drucksensors über das Objektiv ist es möglich, den Drucksensor an einer vom Objektiv erfaßbaren Position zu platzieren, an der der Drucksensor zu keiner oder keiner wesentlichen Verschlechterung für die optische Abbildungsfähigkeit des Mikroskopes führt.
Bei dem photoakustischen Mikroskop kann die Ausleseeinheit eine interferometrische-optische Detektion durchführen. Dadurch ist eine sehr genaue Druckmessung möglich.
Insbesondere kann der Drucksensor als Fabry-Perot-Hohlraumresonator ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen photoakustischem Mikroskop kann das Optikmodul fokussierte elektromagnetische Strahlung in die Probe richten, kann das Optikmodul die elektromagnetische Strahlung in die Probe fokussieren oder kann das Optikmodul die elektromagnetische Strahlung kollimiert in die Probe richten.
Ferner kann das photoakustische Mikroskop ein Bewegungsmodul zum relativen Bewegen der elektromagnetischen Strahlung und der Probe aufweisen.
Ferner kann der Drucksensor ein Sensormaterial aufweisen, das schallinduzierte
Dichteschwankungen zeigt, die zu einer Änderung der optischen Brechzahl des
Sensormaterials führen. Diese Brechzahländerung kann sehr gut interferometrisch-optisch detektiert werden.
Ferner kann die Ausleseeinheit als Interferometer mit einem Meßarm und einem Referenzarm ausgebildet sein, wobei der Drucksensor im Meßarm angeordnet ist. Das Interferometer kann zum Beispiel als Michelson-Interferometer oder als Mirau-Interferometer ausgebildet sein.
Ferner ist es möglich, das Interferometer als bildgebendes Interferometer auszubilden.
Der Drucksensor kann am Objektiv befestigt sein. So kann der Drucksensor z. B. direkt am Objektiv bzw. dem entsprechenden Objektivtubus oder über ein Dämpfungselement am Objektiv bzw. Objektivtubus befestigt sein. Dies führt zu einer sehr kompakten Ausbildung.
Alternativ kann der Drucksensor vom Objektiv beabstandet angeordnet sein. Dabei kann er zwischen der Probe und dem Objektiv angeordnet sein. So kann der Drucksensor beispielsweise an einem Deckglas angeordnet sein und im direkten Kontakt mit der Probe stehen.
Ferner kann der Drucksensor vom Objektiv beabstandet und die Probe zwischen dem Objektiv und dem Drucksensor angeordnet sein.
Der Drucksensor kann für die elektromagnetische Strahlung, die mittels des Optikmoduls in die Probe gerichtet wird, um die Druckwellen zu erzeugen, transparent (z. B. im Bereich von 300 - 1200 nm) und so vor dem probenseitigen Ende des Objektives angeordnet sein, daß die Beaufschlagung der Probe mit der elektromagnetischen Strahlung durch den Drucksensor hindurch erfolgt.
Das Objektiv kann als Immersionsobjektiv ausgebildet sein. Ferner kann das photoakustische Mikroskop ein Beleuchtungsmodul zum Beleuchten der Probe und ein das Objektiv aufweisendes Abbildungsmodul zum optischen Abbilden der Probe aufweisen. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskop einerseits eine photoakustische Aufnahme und andererseits eine optische Aufnahme durchgeführt werden.
Bei der elektromagnetischen Strahlung, die in die Probe fokussiert wird, um Druckwellen zu erzeugen, kann es sich um gepulste Strahlung, Laserstrahlung und insbesondere gepulste Laserstrahlung handeln. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung kann aus dem Bereich von 300 nm bis 3 μιη, bevorzugt 300 nm bis 1300 nm, 300 nm bis 1000 nm, 300 nm bis 700 nm, 700 nm bis 3 μιη, 700 nm bis 1300 nm oder 700 nm bis 1000 nm handeln. Die Pulslänge bei gepulster Strahlung kann im Bereich von ns liegen.
Bei dem photoakustischen Mikroskop können sich die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zur Erzeugung der Druckwellen und die Wellenlänge zum optischen Detektieren der druckabhängigen Eigenschaft des Drucksensors unterscheiden.
Bei der mittels des Optikmoduls in die Probe fokussierten elektromagnetischen Strahlung liegt somit ein Fokusspot vor, der mittels des Bewegungsmoduls in der Probe bewegt wird. Dabei kann das Bewegungsmodul die Bewegung des Fokusspots bewirken und die Probe ortsfest sein. Es ist auch möglich, die Probe relativ zum Fokusspot zu bewegen. Auch die Kombination von bewegtem Fokusspot und bewegter Probe ist möglich. Das photoakustische Mikroskop kann ein Steuermodul aufweisen, das basierend auf den Daten des Akustikmoduls Bilddaten erzeugt.
Das photoakustische Mikroskop kann beispielsweise als Laser-Scanning-Mikroskop ausgebildet sein. Es kann als Auflichtmikroskop oder als inverses Mikroskop ausgebildet sein.
Das photoakustische Mikroskop kann weitere dem Fachmann bekannte Module und/oder Einheiten aufweisen, die zum Betrieb des Mikroskops notwendig sind.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskops;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des probenseitigen Endes des Objektives 4 samt Probe 3 gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Drucksensors 9 gemäß Figur 2;
Fig. 4 eine Darstellung gemäß Figur 2 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroskops;
Fig. 5 eine Darstellung gemäß Figur 2 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskops;
Fig. 6 eine Darstellung des probenseitigen Endes des Objektives einer weiteren Ausführungsform des photoakustischen Mikroskops zusammen mit einer Probenkammer, und
Fig. 7 eine Darstellung gemäß Figur 6 einer Abwandlung des erfindungsgemäßen photoakustischen Mikroskops. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt das erfindungsgemäße photoakustische Mikroskop 1 ein Optikmodul 2 zum Beleuchten einer Probe 3 und ein ein Objektiv 4 aufweisendes Abbildungsmodul 5 zum Abbilden der Probe 3. Das Objektiv 4 ist als Immersionsobjektiv ausgebildet. Daher ist in der schematischen Darstellung von Fig. 1 neben der Probe 3, die zwischen einem Deckglas 6 und einem Objektträger 7 liegt, ein Immersionsmedium 8 zwischen dem Deckglas 6 und dem dem Deckglas 6 zugewandten Ende des Objektives 4 eingezeichnet. Ferner umfaßt das Mikroskop 1 einen Drucksensor 9, der am dem Deckglas 6 bzw. der Probe 3 zugewandten Ende des Objektives 4 angeordnet ist, ein Steuermodul 10 und eine Ausgabeeinheit 1 1 .
Mittels des Steuermoduls 10 kann das Optikmodul 2 so angesteuert werden, daß es gepulste elektromagnetische Strahlung im Bereich von z. B. 300 nm - 3 μιη (nachfolgend auch Anregungsstrahlung genannt) erzeugt, die über eine im Optikmodul 2 enthaltene Ablenkeinheit 12 und das Objektiv 4 in die Probe 3 fokussiert (z. B. als Fokusspot) und in dieser bewegt wird. Ein Teil der dabei eingebrachten Energie wird von Strukturen in der Probe 3 absorbiert, was zu einer lokalen Aufheizung und nachfolgenden thermoelastischen Expansion und somit zu einer Druck- bzw. Schallwelle führt.
Die Schallwelle wird, wenn die Probe 3 z. B. eine biologische Probe ist, bei der Ausbreitung durch die Probe 3 sehr wenig gestreut und kann daher zur Erzeugung eines ortsaufgelösten Bildes dienen, wobei eine hohe Eindringtiefe bei der Bildgebung von beispielsweise größer als 1 mm möglich ist. Zur Detektion der Schallwellen dient der Drucksensor 9.
Wie in der vergrößerten Schnittdarstellung des probenseitigen Endes des Objektives 4 in Fig. 2 ersichtlich ist, umfaßt das Objektiv 4 einen Objektivtubus 13 und eine Frontlinse 14. Auf der der Probe 3 zugewandten Seite der Frontlinse 14 ist der Drucksensor 9 angeordnet, der für die gepulste Anregungsstrahlung, mit der die Probe 3 beaufschlagt wird, um die Druckwellen zu erzeugen, transparent ist. Daher ist es möglich, daß der Drucksensor 9 die Vorderseite der Frontlinse 14 vollständig überdeckt, wie dies in der beschriebenen Ausführungsform der Fall ist.
Der Drucksensor 9 ist, wie schematisch in Fig. 1 gezeigt, mit dem Steuermodul 10 verbunden. Das Steuermodul 10 kann basierend auf den Meßdaten des Drucksensors 9 Bilddaten erzeugen, so daß eine photoakustische Bildgebung realisiert ist. Die Bilddaten können beispielsweise über die Ausgabeeinheit 1 1 angezeigt werden. Bei dem Drucksensor 9 handelt es sich um einen Sensor, der eine optisch detektierbare druckabhängige Eigenschaft aufweist. In Fig. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Drucksensors 9 dargestellt, der als Fabry-Perot-Sensor bezeichnet werden kann und eine erste Trägerplatte 15 und eine davon beabstandete zweite Trägerplatte 16 aufweist, die auf ihren einander zugewandten Seiten jeweils eine Verspiegelung 17 und 18 aufweisen. Zwischen den beiden Trägerplatten 15 und 16 ist ein Sensormaterial 19 angeordnet, das schallinduzierte Dichteschwankungen zeigt. Als Sensormaterial können z. B. Polymere, Parylene, etc. genutzt werden. Die schallinduzierten Dichteschwankungen führen zu einer Modulation der optischen Brechzahl n des Sensormaterials. Diese Brechzahländerungen, die druckabhängig sind, werden interferometrisch-optisch gemessen. Dieses Meßprinzip ist z. B. in Beard et al., „Transduction Mechanisms of the Fabry-Perot Polymer Film Sensing Concept for Wideband Ultrasound Detection", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Band 46, Nr. 6, 1999, beschrieben. Der Inhalt dieses Artikels wird bezüglich des Meßprinzips hiermit in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
Die Verspiegelung 17, 18 ist natürlich so gewählt, daß die erforderliche Transparenz des Drucksensors 9 für die Anregungsstrahlung 26 vorliegt.
Das optische Auslesen des Drucksensors 9 erfolgt über das Objektiv 4 (mit Hilfe z. B. einer schmalbandigen Lichtquelle, wie z. B. einem Laser, und einem optischen Detektor, die beispielsweise im Optikmodul 2 enthalten sein können), so daß die optische Funktionalität des Objektives 4 nicht eingeschränkt ist. Die Auslesestrahlung 27 ist schematisch mit gepunkteten Linien gekennzeichnet, wobei die Wellenlänge der Auslesestrahlung 27 verschieden ist zur Wellenlänge der Anregungsstrahlung 26.
Es liegt aufgrund des beschriebenen Aufbaus und Meßprinzips eine Kompatibilität zu herkömmlichen Lichtmikroskopen vor. Es muß nur das Objektiv 4 des erfindungsgemäßen Mikroskopes eingesetzt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop 1 kann die hohe numerische Apertur des Immersionsobjektives 4 genutzt werden, um einen sehr kleinen Fokus in der Probe 3 zur Anregung der Druckwellen zu erzeugen. Es ist somit eine lokalisierte Anregung der Probe 3 mit der gepulsten Anregungsstrahlung 26 (beispielsweise Laserstrahlung mit ns-Pulsen) möglich, womit eine hohe räumliche Auflösung im photoakustischen Bildgebungsmodus erreicht wird. Die die Druckwellen erzeugende Anregungsstrahlung 26 kann die Probe 3 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 22 des Objektives 4 abrastern. Dies kann beispielsweise durch einen in der Pupille des Objektives 4 angeordneten Scanspiegel (nicht gezeigt) der Ablenkeinheit 12 verwirklicht werden, wie dies üblicherweise bei Laser-Scanning-Mikroskopen der Fall ist. Zusätzlich kann die Anregungsstrahlung 26 die Probe 3 in Richtung der optischen Achse 22 abscannen, indem die Fokusebene der Anregungsstrahlung 26 entsprechend eingestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch die Probe 3 entsprechend bewegt werden.
Durch die Anordnung des Drucksensors 9 am der Probe zugewandten Ende des Objektives 4 liegt ein zuverlässiger akustischer Kontakt zwischen der Probe 3 und dem Drucksensor 9 aufgrund des Immersionsmediums 8 vor. Ferner kann die Probenpräparation so durchgeführt werden, wie es bei der Lichtmikroskopie üblich ist. Das erfindungsgemäße Mikroskop 1 weist somit eine zusätzliche Funktionalität auf. Mit ihm kann ein photoakustisches Bild erzeugt werden. Ferner kann das Objektiv 4 zur herkömmlichen optischen Bildgebung eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Mikroskop 1 erfolgt somit in vorteilhafter Weise die Abtastung des Drucksensors 9 und die Anregung der Probe 3 über das Objektiv 4 und somit über dasselbe optische System.
In Fig. 4 ist eine Abwandlung des bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Mikroskopes gezeigt. Im Unterschied zum bisher beschriebenen Mikroskop 1 ist der Drucksensor 9 nicht am Objektiv 4 angeordnet, sondern an der der Probe 3 zugewandten Seite des Deckglases 6 und somit zwischen dem Deckglas 6 und der Probe 3.
In Fig. 5 ist eine weitere Abwandlung gezeigt, bei der der Drucksensor 9 an der der Probe 3 zugewandten Seite des Objektträgers 7 und somit zwischen der Probe 3 und dem Objektträger 7 angeordnet ist.
In Fig. 6 ist eine weitere Abwandlung gezeigt. Diese betrifft die Untersuchung von größeren Proben 3, die in einer z. B. mit Wasser gefüllten Probenkammer 23 angeordnet sind. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Mikroskop gemäß Fig. 1 bis 3 eingesetzt. Zur Abdichtung zwischen dem Objektiv 4 und der Probenkammer 23 ist eine Ringdichtung 24 vorgesehen.
In Fig. 7 ist eine weitere Abwandlung gezeigt, in der der Drucksensor 9 an einem inneren Fenster 25 in der Probenkammer 23 angeordnet ist.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde das Interferometer des Sensors 9 stets als reines Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das Interferometer des Sensors 9 als Michelson-Interferometer mit einem Fabry-Perot- Hohlraumresonator in einem Arm des Interferometers auszuführen. Alternativ kann dies statt einer Michelson-Geometrie auch mit einer Mirau-Geometrie des Interferometers ausgeführt werden. Dies ist vorteilhaft, da ungewollte Phasenunterschiede im Sensormaterial 19 durch Kompensationselemente (Phasenplatte) im Referenzarm des Interferometers (Michelson bzw. Mirau) ausgeglichen werden können. Auch können diese Interferometer bildgebend ausgelegt werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
Insbesondere die Tatsache, das Interferometer bildgebend auszulegen, kann dazu genutzt werden, nicht nur die Stärke, sondern auch die Richtung der Druckwelle (akustischen Welle) zu bestimmen. Dazu wird die optische Detektion des Interferometers nicht nur mit einem Detektor, sondern mit mehreren Detektoren, die wegen der Abbildung auch bestimmten räumlichen Bereichen des Sensormaterials 19 zugeordnet werden können, durchgeführt. Außer der räumlichen Zuordnung kann mit diesen mehreren Detektoren auch eine Diskriminierung gegen Echo-Artefakte durchgeführt werden.
Auch bei der Ausbildung als Fabry-Perot-Interferometer (wie z. B. in Verbindung mit Figuren 1 bis 3 beschrieben ist) können beim Vorsehen von mehreren Detektoren bestimmte räumliche Bereiche den mehreren Detektoren zugeordnet werden. Dazu wird das Ausleselicht des Interferometers in die Pupille des Mikroskopobjektivs 4 fokussiert. Nach dieser Fokussierung können der ein- und ausgehende Strahl mittels einer Polarisationsoptik oder eines optischen Isolators voneinander getrennt werden und der zurückkommende Strahl kann z. B. über ein Mikrolinsenarray auf ein Photodetektorarray fokussiert werden. Alternativ können der ein- und ausgehende Strahl auch durch eine Pupillenteilung voneinander getrennt werden. Der Drucksensor 9 kann auch als flexibles Membran ausgebildet werden, deren Schwingung optisch gemessen wird, z. B. mit einem Laservibrometer.

Claims

Patentansprüche
1 . Photoakustisches Mikroskop mit
einem ein Objektiv (4) aufweisenden Optikmodul (2), das elektromagnetischer Strahlung in eine Probe (3) richtet, um Druckwellen zu erzeugen, und
einem Akustikmodul (9, 10) zur Detektion der erzeugten Druckwellen,
wobei das Akustikmodul (9, 10) einen Drucksensor (9), der eine optisch detektierbare druckabhängige Eigenschaft aufweist, und eine Ausleseeinheit aufweist, die die druckabhängige Eigenschaft des Drucksensors (9) optisch über das Objektiv (4) detektiert.
2. Photoakustisches Mikroskop nach Anspruch 1 , bei dem die Ausleseeinheit eine interferometrisch-optische Detektion durchführt
3. Photoakustisches Mikroskop nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Drucksensor (9) als Fabry-Perot-Hohlraumresonator ausgebildet ist.
4. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Optikmodul (2) die elektromagnetische Strahlung in die Probe fokussiert.
5. Photoakustisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Optikmodul (2) die elektromagnetische Strahlung kollimiert in die Probe (3) richtet.
6. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Bewegungsmodul (12) zum relativen Bewegen der elektromagnetischen Strahlung und der
Probe (3).
7. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, bei dem der Drucksensor (9) ein Sensormaterial (19) aufweist, das schallinduzierte Dichteschwankungen zeigt, die zu einer Änderung der optischen Brechzahl des Sensormaterials (19) führen.
8. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Ausleseeinheit als Interferometer mit einem Meßarm und einem Referenzarm ausgebildet ist, wobei der Drucksensor (9) im Meßarm angeordnet ist.
9. Photoakustisches Mikroskop nach Anspruch 8, bei dem das Interferometer als Michelson-Interferometer oder als Mirau-Interferometer ausgebildet ist.
10. Photoakustisches Mikroskop nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Interferometer als bildgebendes Interferometer ausgebildet ist.
1 1 . Photoakustisches Mikroskop nach Anspruch 1 , bei dem der Drucksensor (9) als flexible Membran ausgebildet ist.
12. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche bei dem der Drucksensor (9) am Objektiv (4) befestigt ist.
13. Photoakustisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei dem der Drucksensor vom Objektiv (4) beabstandet angeordnet ist und zwischen Probe (3) und Objektiv (4) angeordnet ist.
14. Photoakustisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , bei dem der Drucksensor (9) vom Objektiv (4) beabstandet ist und die Probe (3) zwischen dem Objektiv (4) und dem Drucksensor (9) angeordnet ist.
15. Photoakustisches Mikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Drucksensor (9) für die elektromagnetische Strahlung transparent ist und so vor dem probenseitigen Ende des Objektives (4) angeordnet ist, daß die Beaufschlagung der Probe (3) mit der elektromagnetischen Strahlung durch den Drucksensor (9) erfolgt.
16. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, bei dem das Objektiv (4) als Immersionsobjektiv ausgebildet ist.
17. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Beleuchtungsmodul (2) zum Beleuchten der Probe (3) und einem das Objektiv (4) aufweisenden Abbildungsmodul zum optischen Abbilden der Probe (3).
18. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, mit einem Steuermodul (10), das basierend auf den Daten des Akustikmoduls (9, 10) Bilddaten erzeugt.
19. Photoakustisches Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung verschieden ist zur Wellenlänge der Strahlung zur optischen Detektion der druckabhängigen Eigenschaft des Drucksensors (2).
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