WO2015011046A1 - Optoelektronischer detektor, insbesondere für hochauflösende lichtrastermikroskope - Google Patents

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WO2015011046A1
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glass
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Jörg STEINERT
Oliver Holub
Gunther Lorenz
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Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic detector, in particular a
  • Photoeiektronenvervielfacher with one of a protective glass, in particular made of glass, translucent sealed light entry area and a method for producing an optoelectronic detector.
  • the protective disk can in particular serve to maintain a vacuum within the detector. It is typically made of glass. As light is to be considered any manipulatable by optical means electromagnetic radiation, in particular also ultraviolet and infrared radiation.
  • Detector element forms These detector elements here have a common protective screen.
  • the detector elements are relatively large. For this reason, they can only be used with great effort to record a picture of a diffraction-limited focus volume and thus an image of an Airy disk or the point-spread function (PSF) in two-dimensional space-resolved fashion, according to DE 10 2012 204 128 if the image is significantly enlarged compared to the focus volume
  • the invention has for its object to improve a microscope and a method of the type mentioned above, the spatially resolved detection of
  • a body made of glass or glass ceramic with an opening in which one end of an optical fiber is arranged so with the
  • Verified cover plate is that the end of the optical fiber of the cover plate faces and its optical axis (the exiting light) the
  • Light entry area pierces.
  • an end of the optical fiber facing away from the cover plate can preferably be illuminated during the displacement and by means of the
  • the detector according to the invention has a high temperature stability, since
  • Glass ceramics have a very similar thermal expansion behavior as glass cover plates of optoelectronic detectors. Also at
  • the detector has a plurality of detection channels, in particular 32, with a respective light entry region and the body has several,
  • each optical fiber is arranged so that it faces the cover plate and its optical axis (the exiting light) penetrates a respective detection channel associated light entry region.
  • the permanently providable accuracy of the detector according to the invention can also be used for multi-channel detection.
  • optical fibers are combined at their other ends into a bundle, in particular in the tightest packing, in particular with a total of hexagonal cross-section.
  • the dot-image function of a light-scanning microscope can be recorded and analyzed in a spatially resolved manner with high accuracy, for example in a microscope or a method according to DE 10 2012 204 128.
  • Crosstalk between multiple channels can be minimized by arranging the multiple light entry regions of a multichannel detector linearly adjacent to one another and arranging the corresponding sequence of optical fibers in the bundle in a spiral shape, since optical fibers which arrive at the detector as neighbors are also adjacent in the bundle.
  • the glass preferably comprises borosilicate glass or the glass ceramic comprises borosilicate glass, in particular a borosilicate glass matrix, in which mica, in particular fluorophlogopite mica, is arranged.
  • This composition allows for both glass-like thermal expansion properties of the body and electrical isolation, which is particularly advantageous in high-voltage secondary electron multipliers.
  • the glass or glass-ceramic may be machinable to facilitate the provision of the block and lid.
  • Such glass-ceramics are commercially available, for example, under the trademarks "Macor” or "Vitronit".
  • the body comprises a block with a groove in which the end of the optical fiber is arranged, and a lid made of Materia! of the block, where the Nui in the region of the end of the optical fiber is at least partially closed by the lid and forms the opening.
  • the arrangement of a groove (or a plurality of grooves), the optical fiber (or the multiple optical fibers) can be aligned with little effort and high accuracy.
  • the body is preferably in two parts, but may also have other parts. Grooved blocks for holding
  • Optical fibers are known for example from US 7,058,275 B2, whose
  • the invention provides for producing such an optoelectronic detector that the following steps are carried out:
  • Attaching the cover to the block in particular by hardening (leaving) an adhesive
  • the stability and accuracy of the detector are particularly high when the end of the optical fiber is glued into the groove.
  • the stability and accuracy of the detector are even higher when the lid is glued to the block, especially with the optical fiber.
  • the lid having a groove corresponding to the groove of the block.
  • the gap between the lid and the block which also expands when thermally expanded, can be minimized.
  • the groove of the block and / or the lid has a triangular, quadrangular, in particular rectangular, or semi-elliptical, in particular semicircular, cross-section. In this way, a stable fit of the optical fiber succeeds.
  • the diameter of the groove need only be sufficient to accommodate an optical fiber (and optionally adhesive).
  • an opening (24 a) has a bore whose smallest opening width corresponds to a largest cross section of the optical fiber, wherein the optical fiber is bonded to the body.
  • the invention provides for producing such an optoelectronic detector that the following steps are carried out:
  • the optical fiber terminates flush with the edge of the body (2X), in particular of the lid (4).
  • the optical fiber jumps back relative to the edge of the body (2X), in particular of the cover (4).
  • an optic in particular a diffractive optic, for example according to EP1635204A1, a collecting optics or a collimating optics, arranged between the end of the optical fiber and the edge of the body (2X), in particular of the lid (4).
  • the optical coupling efficiency can be improved and it is possible to dispense with complicated polishing of the fibers.
  • the body in particular comprising block and cover
  • the cover disk and, if appropriate, further components which are thermally conductively connected to the cover disk are opposite one another
  • Sealant (at atmospheric pressure) are sealed water vapor tight. Thus, condensation on the cover plate can be avoided when the detector is cooled. In particular, the sealant also occupies the gap between the block and the lid.
  • the invention also includes a light scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, with an ikroskop Meetingiv and a detector as described above having a plurality of detection channels, wherein the detector remote ends of the optical fibers, in particular as a bundle, for receiving light from the direction of the microscope objective in a Image plane of the microscope objective or behind a arranged in the image plane aperture are arranged.
  • a light scanning microscope in particular a confocal laser scanning microscope, with an ikroskop Acceptiv and a detector as described above having a plurality of detection channels, wherein the detector remote ends of the optical fibers, in particular as a bundle, for receiving light from the direction of the microscope objective in a Image plane of the microscope objective or behind a arranged in the image plane aperture are arranged.
  • the end of the optical fiber is polished after attaching the optical fiber or the lid and before the cementing.
  • the invention is not only with a multi-channel detector, but also with a single-channel detector, in particular with a single one
  • Fig. 3 shows an arrangement variant with recessed optical fibers
  • Fig. 5 shows an alternative embodiment with Nuteniosem lid
  • Fig. 6 shows an alternative embodiment with monotithic body.
  • a multi-channel photomultiplier as an optoelectronic detector 1 with a cover plate 1 a is shown by way of example in a schematic representation.
  • FIG. 1A shows an enlarged detail of subfigure 1B, in which it can be seen that the ends 3a of optical fibers 3 are arranged in V-shaped grooves 5 of a block 2, which consists of Macor glass ceramic.
  • a cover 4 made of the same material with corresponding grooves 5 is provided for clamping the Lichtburgfasem between the cover 4 and block 2.
  • the grooves can be provided for example by milling with conventional tools.
  • block 2 and cover 4 are glued together and thus form a body.
  • the other ends 3b of the optical fibers 3 are combined in a densest packing to form a bundle C, which serves as the light input of the detector 1.
  • the optical fibers 3 can at the Lichtieitmaschineeingangsbündel C with each other
  • the optical fibers 3 may be glued together. Also, a square shape of the ends of the optical fibers 3 (at least the fiber cores and / or the cladding and / or the cladding) is possible (not shown).
  • the (connected and optionally polished) holding body of block 2 and cover 4 is at least partially for the electromagnetic radiation to be detected
  • the cover plate a As a result, the end 3a of the optical fiber 3 of the cover plate 1 a facing and its optical axis pierces the Ltchteintritts Scheme 1 b.
  • the putty expediently has a refractive index which is approximately equal to the refractive index of the cover disk. Ideally, its refractive index is between that of the optical fiber 3 and that of the cover plate 1 a.
  • the block 2 together with the lid 4 and the held ends 3 a of the optical fibers 3 is encapsulated together with the cover plate 1 a by moisture-proof polymer mass 23.
  • the polymer composition may advantageously comprise a norbornene derivative which is commercially available, for example, under the trademark Zeonex. This material has the advantage of low moisture absorption, so that almost no air moisture can reach the cover plate 1 a by diffusion.
  • Fig. 2 shows schematically a light scanning microscope 20 in the form of a confocal laser scanning ning microscope (hereinafter abbreviated as LSM), the
  • the LSM 20 is powered by a
  • Controlled control device 19 and comprises a illumination beam path B and a Abbiidungsstrahlengang D.
  • the illumination beam path B illuminates a
  • Focus volume in the sample P, and the imaging beam D forms this focus volume diffraction-limited in the image plane 8 for detection.
  • Illumination beam path B and imaging beam path D share a plurality of elements. But this is not as compelling as a scanning
  • Illumination of the sample P This could also be illuminated farfef instead.
  • the moistening of the sample P takes place in the LSM 20 by means of a provided
  • Laser 6 which is coupled via a lens 7 to a mirror 8.
  • the mirror 8 ensures that the laser beam falls on an emission filter 9 at a reflection angle.
  • the main axis the optical axis of the illumination beam path B
  • the laser beam After reflection at the emission filter 9, the laser beam is deflected biaxially by an adjustable deflection unit 10, for example a MEMS-based mirror, and focused by means of lenses 11 and 12 through a microscope objective 13 into a focus volume 14 in the sample P.
  • the focus volume 14 is punctiform in the illustration of FIG. 2, but it is also a line-shaped
  • Focus volume (or other geometric shapes, eg elliptical) possible. Fluorescent radiation excited in the spot 14 is redirected via the objective 13, the lenses 11 and 12 back to the scanner 0, behind which there is again a light beam running along the optical axis in the imaging direction (independently of the scanner position). This falls through the emission filters 9 and 15, which the
  • a lens 6 ensures that overall the spot 14 is imaged in a diffraction-limited image 17, which lies in a detection plane 18.
  • Detection plane 18 is a plane conjugate to the plane in which the spot 14 lies in the sample P. Alternatively, a pinhole may be disposed in an upstream conjugate plane.
  • the image 17 of the spot 14 is recorded in the detection plane 8 by a detector device 1. It is essential here that the
  • Detection level 18 spatially resolved, whereby details of the punk image function 8a of the microscope 20, in particular spatial modulation of the PSF, can be detected.
  • the control unit 19 controls all components of the LSM 20, in particular the deflection unit 10 and the detector device 1.
  • the control unit 19 records the data of each individual PSF image 17 for different deflection positions of the scanner 10, analyzes its diffraction structure and generates according to FIG DE 10 2012 204 128 gives a high-resolution overall image of the sampled area of sample P.
  • FIG. 3 shows a section of an alternative embodiment of a detector 1 in a schematic representation.
  • the optical fibers 3 jump with respect to the edges of blocks 2 and 3
  • a diffractive optic 21 according to EP 635204 A1 is applied by way of example to the ends of the optical fibers 3 held between block 2 and cover 4, which enable a more efficient coupling of the light emerging from the fibers into the relevant detector element.
  • FIG. 4 shows different cross-sectional shapes of grooves 5 of FIG.
  • Blocks 2 a) v-shaped, b) rectangular, c) semicircular.
  • the grooves 5 of the lid 4 may have a shape deviating from the block 2 or identical cross-sectional shape. It is also possible that adjacent grooves 5 of the block 2 (and / or the lid 4) have different cross-sectional shapes.
  • Fig. 6 shows schematically an embodiment in which a monolithic body 2X in an edge portion bores whose cross-section of the cross section of
  • Fiber ends 3a corresponds to having openings 24a. This edge portion is provided for cementing with the cover plate 1 a of the detector.
  • holes 24b are of the second type
  • Optical fibers 3 serve.
  • the optical fibers 3 are bonded to the body 2X. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

2.1. Optoelektronische Detektoren (1) wie Photoelektronenvervielfacher mit einem von einer Schutzscheibe (1a) verschlossenen Lichteintrittsbereich (1b) können wegen der Größe Ihrer Detektorelemente (1c) nur mit großem Aufwand dazu verwendet werden ein Bild eines beugungsbegrenzten Fokusvolumens zweidimensional ortsaufgelöst aufzunehmen, selbst wenn das Bild gegenüber dem Fokusvolumen deutlich vergrößert wird. Der neue Detektor soll die ortsaufgelöste Detektion von Punktbildfunktionen mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit ermöglichen. 2.2. Zu diesem Zweck ist ein Körper aus Glas oder Glaskeramik mit einer Öffnung, in der ein Ende (3a) einer Lichtleitfaser (3) angeordnet ist, so mit der Deckscheibe (1a) verkittet, dass das Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) der Deckscheibe (1a) zugewandt ist und seine optische Achse den Lichteintrittsbereich (1b) durchstößt. So kann die relative Position von Lichtieitfaser (3) und Eintr/ttsbereich (1b) mit hoher Genauigkeit dauerhaft bereitgestellt werden. Vorzugsweise weist der Detektor mehrere Detektionskanäle, insbesondere 32, mit einem jeweiligen Lichteintrittsbereich auf und der Körper weist mehrere Öffnungen mit einer jeweiligen Lichtleitfaser auf. 2.3. Fluoreszenzmikroskopie

Description

Optoelektronischer Detektor, insbesondere für hochauflösende
Lichtrastermikroskope
Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Detektor, insbesondere einen
Photoeiektronenvervielfacher, mit einem von einer Schutzscheibe, insbesondere aus Glas, lichtdurchlässig verschlossenen Lichteintrittsbereich und ein Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Detektors.
Die Schutzscheibe kann insbesondere zur Aufrechterhaltung eines Vakuums innerhalb des Detektors dienen. Sie besteht typischerweise aus Glas. Als Licht ist jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung anzusehen, insbesondere auch ultraviolette und infrarote Strahlung.
Im Stand der Technik sind solche optoelektronischen Detektoren beispielsweise aus US 4,881 ,008 A bekannt. Darin ist ein mehrkanaliger Detektor in Zeilenform mit mehreren Lichteintrittsbereichen beschrieben, bei dem jeder Lichteintrittsbereich einen eigenen Photoeiektronenvervielfacher aufweist und so ein jeweiliges
Detektorelement bildet. Diese Detektorelemente weisen hier eine gemeinsame Schutzscheibe auf.
Nachteilig ist, dass die Detektorelemente relativ groß sind. Sie können deswegen nur mit großem Aufwand dazu verwendet werden, gemäß DE 10 2012 204 128 ein Bild eines beugungsbegrenzten Fokusvolumens und damit ein Bild einer Airy-Scheibe oder der Punktbildfunktion {engl,„point-spread function"; PSF) zweidimensional ortsaufgelöst aufzunehmen, selbst wenn das Bild gegenüber dem Fokusvolumen deutlich vergrößert wird. Insbesondere sind die Abstände der einzelnen
Detektoreiemente so groß, dass lokale Modulationen innerhalb der Punktbildfunktion nicht erfasst werden können. Würde die Vergrößerung so gewählt, dass die
Abstände vernachlässigbar sind, wären nachteiligerweise eine große Anzahl von Detektorelementen und damit mehr Detektoren notwendig, um die gesamte
Punktbildfunktion erfassen zu können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, um die ortsaufgelöste Detektion von
Punktbiidfunktionen mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Mikroskop, welches die in Anspruch 1
angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die in
Anspruch 4 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Körper aus Glas oder Glaskeramik mit einer Öffnung, in der ein Ende einer Lichtleitfaser angeordnet ist, so mit der
Deckscheibe verkittet ist, dass das Ende der Lichtleitfaser der Deckscheibe zugewandt ist und seine optische Achse (des austretenden Lichts) den
Lichteintrittsbereich durchstößt.
Aufgrund der lichtdurchlässigen Fixierung des Körpers durch die Verkittung kann die relative Position von Lichtleitfaser und Eintrittsbereich mit hoher Genauigkeit dauerhaft bereitgestellt werden. Zunächst gelingt eine hochgenaue
Erstpositionierung, indem vor Aushärtung des Kitts der Detektor unter Beleuchtung der Lichtleitfaser zur Maximierung der optischen Koppeleffizienz durch optimale relative Positionierung von Lichtleitfaser und Lichteintrittsbereich genutzt werden kann. Entsprechend kann vorzugsweise während des Verschiebens ein von der Deckscheibe abgewandtes Ende der Lichtleitfaser beleuchtet und mittels des
Detektors aus der Lichtleitfaser austretendes Licht detektiert werden, wobei der Körper verschoben wird, bis eine vorgegebene Mindestintensität oder
Intensitätsmaximum detektiert wird.
Der erfindungsgemäße Detektor weist eine hohe Temperaturstabilität auf, da
Glaskeramiken ein sehr ähnliches thermisches Ausdehnungsverhalten wie gläserne Deckscheiben von optoelektronischen Detektoren aufweisen. Auch bei
Temperaturschwankungen bleiben deswegen die relative Position der Lichtleitfaser und des Lichteintrittsbereichs und damit die optische Koppeleffizienz konstant. Vorzugsweise weist der Detektor mehrere Detektionskanäle, insbesondere 32, mit einem jeweiligen Lichteintrittsbereich auf und der Körper weist mehrere,
insbesondere eine identische Anzahl, Öffnungen auf, wobei in jeder dieser
Öffnungen ein Ende einer jeweiligen Lichtleitfaser so angeordnet ist, dass es der Deckscheibe zugewandt ist und seine optische Achse (des austretenden Lichts) einen dem betreffenden Detektionskanal zugeordneten Lichteintrittsbereich durchstößt. Auf diese Weise kann die dauerhaft bereitstellbare Genauigkeit des erfindungsgemäßen Detektors auch zur Mehrkanaldetektion genutzt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Lichtleitfasern an ihren anderen Enden zu einem Bündel zusammengefasst sind, insbesondere in dichtester Packung, insbesondere mit insgesamt hexagonalem Querschnitt. Auf diese Weise kann die Punktbildfunktion eines Lichtrastermikroskops mit hoher Genauigkeit ortsaufgelöst aufgenommen und analysiert werden, beispielsweise in einem Mikroskop oder einem Verfahren gemäß DE 10 2012 204 128.
Übersprechen zwischen mehreren Kanälen kann minimiert werden, indem die mehreren Lichteintrittsbereiche eines Multikanaldetektors linear nebeneinander angeordnet sind und die entsprechende Abfolge der Lichtleitfasern in dem Bündel in Spiralform angeordnet ist, denn dadurch sind Lichtleitfasern, die am Detektor als Nachbarn ankommen, auch im Bündel benachbart.
Vorzugsweise umfasst das Glas Borosilikatglas oder die Glaskeramik umfasst Borosilikatglas, insbesondere eine Borosilikatglas-Matrix, in dem Glimmer, insbesondere Fluorophlogopitglimmer, angeordnet ist. Diese Zusammensetzung ermöglicht sowohl glasähnliche thermische Ausdehnungseigenschaften des Körpers als auch eine elektrische Isolation, die besonders bei Hochspannungs- Sekundärelektronenvervielfachern vorteilhaft ist. Zweckmäßigerweise kann das Glas oder die Glaskeramik spanend bearbeitbar sein, um die Bereitstellung des Blocks und des Deckels zu vereinfachen. Derartige Glaskeramiken sind beispielsweise unter den Marken„Macor" oder„Vitronit" kommerziell verfügbar.
Vorzugsweise umfasst der Körper einen Block mit einer Nut, in der das Ende der Lichtleitfaser angeordnet ist, und einen Deckel aus dem Materia! des Blocks, wobei die Nui im Bereich des Endes der Lichtleitfaser zumindest abschnittsweise durch den Deckel verschlossen ist und die Öffnung bildet. Durch die Anordnung einer Nut (beziehungsweise mehrerer Nuten) kann die Lichtleitfaser (beziehungsweise können die mehreren Lichtleitfasern) mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit ausgerichtet werden. Der Körper ist vorzugsweise zweiteilig, kann aber auch noch weitere Teile aufweisen. Mit Nuten versehene Blöcke zur Halterung von
Lichtleitfasern sind beispielsweise aus US 7,058,275 B2 bekannt, deren
diesbezüglicher Offenbarungsgehalt hier einbezogen wird.
Die Erfindung sieht zum Herstellen eines solchen optoelektronischen Detektors vor, dass folgende Schritte durchgeführt werden:
- Bereitstellen eines optoelektronischen Detektors mit einem durch eine Deckscheibe lichtdurchlässig verschlossenen Lichteintrittsbereich,
- Bereitstellen eines Blocks aus Glas oder Glaskeramik mit einer Nut,
- Positionieren eines Endes einer Lichtleitfaser in der Nut,
- Auflegen eines Deckels aus dem Material des Blocks auf den Block zum zumindest abschnittsweisen Verschließen der Nut im Bereich des Endes der Lichtleitfaser,
- Befestigen des Deckels am Block, insbesondere durch Aushärten (lassen) eines Klebstoffs,
- Verkitten des Blocks (optional auch des Deckels) mit der Deckscheibe derart, dass das Ende der Lichtleitfaser der Deckscheibe zugewandt ist,
- Verschieben des Blocks parallel zur Schutzscheibe bis eine optische Achse (des austretenden Lichts) des Endes der Lichtleitfaser den Lichteintrittsbereich durchstößt.
Die Stabilität und die Genauigkeit des Detektors sind besonders hoch, wenn das Ende der Lichtleitfaser in die Nut eingeklebt ist.
Die Stabilität und die Genauigkeit des Detektors sind noch höher, wenn der Deckel mit dem Block, insbesondere auch mit der Lichtleitfaser, verklebt ist.
Eine thermisch besonders hohe Stabilität gelingt, indem der Deckel eine mit der Nut des Blocks korrespondierende Nut aufweist. Dadurch kann der Spalt zwischen Deckel und Block, der sich bei thermischer Ausdehnung ebenfalls ausdehnt, minimiert werden. Zweckmäßigerweise weist die Nut des Blocks und/oder des Deckels einen dreieckigen, viereckigen, insbesondere rechteckigen, oder halbelliptischen, insbesondere halbrunden, Querschnitt auf. Auf diese Weise gelingt ein stabiler Sitz der Lichtleitfaser. Der Durchmesser der Nut muss lediglich ausreichend sein, um eine Lichtleitfaser (und optional Klebstoff) aufzunehmen.
Alternativ zur Ausführung mit Block und Deckel kann der Körper, der dann
beispielsweise monolithisch ausgebildet ist, als Öffnung (24a) eine Bohrung aufweisen, deren kleinste Öffnungsweite einem größten Querschnitt der Lichtleitfaser entspricht, wobei die Lichtleitfaser mit dem Körper verklebt ist.
Die Erfindung sieht zum Herstellen eines solchen optoelektronischen Detektors vor, dass folgende Schritte durchgeführt werden:
- Bereitstellen eines optoelektronischen Detektors mit einem durch eine Deckscheibe lichtdurchlässig verschlossenen Lichteintrittsbereich,
- Bereitstellen eines Körpers aus Glas oder Glaskeramik,
- Bohren einer Öffnung in den Block,
- Positionieren eines Endes einer Lichtleitfaser in der Öffnung,
- Befestigen der Lichtleitfaser am Körper, insbesondere durch Aushärten (lassen) eines Klebstoffs,
- Verkitten des Körpers mit der Deckscheibe derart, dass das Ende der Lichtleitfaser der Deckscheibe zugewandt ist,
- Verschieben des Körpers parallel zur Schutzscheibe bis eine optische Achse (des austretenden Lichts) des Endes der Lichtleitfaser den Lichteintrittsbereich durchstößt.
In einer ersten Ausgestaltungsvariante endet die Lichtleitfaser bündig mit dem Rand des Körpers (2X), insbesondere des Deckels (4). Dadurch kann ohne Zusatzaufwand eine hohe optische Koppeleffizienz erreicht werden.
In einer ersten Ausgestaltungsvariante springt die Lichtleitfaser gegenüber dem Rand des Körpers (2X), insbesondere des Deckels (4) zurück. Dann ist vorzugsweise eine Optik, insbesondere eine diffraktive Optik, beispielsweise gemäß EP1635204A1 , eine Sammeloptik oder eine Kollimationsoptik, zwischen dem Ende der Lichtleitfaser und dem Rand des Körpers (2X), insbesondere des Deckels (4)angeordnet. Dadurch kann die optische Koppeleffizienz verbessert und auf aufwendiges Nachpolieren der Fasern verzichtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Körper (insbesondere bestehend aus Block und Deckel) und die Deckscheibe und gegebenenfalls weitere Bauteile, die thermisch leitend mit der Deckscheibe verbunden sind, gegenüber einer
Umgebungsatmosphäre durch eine Dichtmasse, insbesondere eine polymere
Dichtmasse, (bei Atmosphärendruck) wasserdampfdicht abgeschlossen sind. So kann bei Kühlung des Detektors eine Kondensation auf der Deckscheibe vermieden werden. Insbesondere besetzt die Dichtmasse auch den Spalt zwischen Block und Deckel.
Die Erfindung umfasst auch ein Lichtrastermikroskop, insbesondere ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, mit einem ikroskopobjektiv und einem Detektor wie zuvor beschrieben mit mehreren Detektionskanälen, wobei die detektorfernen Enden der Lichtleitfasern, insbesondere als Bündel, zur Aufnahme von Licht aus Richtung des Mikroskopobjektivs in einer Bildebene des Mikroskopobjektivs oder hinter einer in der Bildebene angeordneten Blende angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Befestigen der Lichtleitfaser oder des Deckels und vor dem Verkitten das Ende der Lichtleitfaser poliert. Dadurch kann eine hohe optische Koppeleffizienz erreicht werden.
Allgemein ist die Erfindung nicht nur mit einem Mehrkanaldetektor, sondern auch mit einem Einkanaldetektoren, insbesondere mit einem einzelnen
Sekundärelektronenvervielfacher, vorteilhaft.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Photoelektronenvervielfacher,
Fig. 2 ein Lichtrastermikroskop mit einem solchen Photoelektronenvervielfacher,
Fig. 3 eine Anordnungsvariante mit zurückspringenden Lichtleitfasern und
zusätzlichen Optiken,
Fig. 4 unterschiedliche Formen von Nutquerschnitten,
Fig. 5 eine alternative Ausführungsform mit nuteniosem Deckel und
Fig. 6 eine alternative Ausführungsform mit monotlithischem Körper.
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
In Fig. 1 ist beispielhaft ein mehrkanaliger Photoelektronenvervielfacher als optoelektronischer Detektor 1 mit einer Deckscheibe 1 a in schematischer Darstellung gezeigt. Der Übersicht halber weist der Detektor 1 nur zehn Kanäle mit einem jeweiligen Lichteintrittsbereich b.i (i=1 ... 10) und einer jeweiligen
Dynodenkaskade Lei auf. Teilfigur 1A zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Teilfigur 1 B, in dem erkennbar ist, dass die Enden 3a von Lichtleitfasern 3 in v- förmigen Nuten 5 eines Blocks 2, der aus Macor-Glaskeramik besteht, angeordnet sind. Ein Deckel 4 aus demselben Material mit korrespondierenden Nuten 5 ist zum Festklemmen der Lichtleichtfasem zwischen Deckel 4 und Block 2 bereitgestellt. Die Nuten können beispielsweise durch Fräsen mit üblichen Werkzeugen bereitgestellt werden. Zweckmäßigerweise werden Block 2 und Deckel 4 miteinander verklebt und bilden so einen Körper.
Die anderen Enden 3b der Lichtleitfasern 3 sind in einer dichtesten Packung zu einem Bündel C zusammengefasst, das als Lichteingang des Detektors 1 dient. Die Lichtleitfasern 3 können am Lichtieitfasereingangsbündel C miteinander
verschmolzen sein. Hierdurch wird ein höherer Füllfaktor erreicht, d. h., Lücken zwischen den einzelnen Lichtleitfasern 3 am Lichtleitfaserbündeleingang 3b werden minimiert. Das Verschmelzen führt andererseits zu einem gewissen Übersprechen zwischen benachbarten Lichtleitfasern 3. Möchte man dieses vermeiden, können die Lichtleitfasern 3 miteinander verklebt sein. Auch ist eine quadratische Form der Enden der Lichtleitfasern 3 (zumindest der Faserkerne und/oder des Mantels und/oder der Hülle) möglich (nicht abgebildet).
Der (verbundene und optional polierte) Haltekörper aus Block 2 und Deckel 4 ist mit für die zu detektierende elektromagnetische Strahlung zumindest partiell
transmittivem Kitt 22, beispielsweise Epoxidharz, an der Deckscheibe a befestigt. Dadurch ist das Ende 3a der Lichtleitfaser 3 der Deckscheibe 1 a zugewandt und seine optische Achse durchstößt den Ltchteintrittsbereich 1 b. Der Kitt weist zweckmäßigerweise einen Brechungsindex auf, der näherungsweise gleich dem Brechungsindex der Deckscheibe ist. Idealerweise liegt sein Brechungsindex zwischen dem der Lichtleitfaser 3 und dem der Deckscheibe 1 a.
Der Block 2 samt Deckel 4 und den gehaltenen Enden 3a der Lichtleitfasern 3 ist zusammen mit der Deckscheibe 1 a durch feuchtigkeitsdichte Polymermasse 23 verkapselt. Die Polymermasse kann vorteilhafterweise ein Norbomen-Derivat umfassen, das beispielsweise unter der Marke Zeonex kommerziell verfügbar ist. Dieses Material hat den Vorteil einer geringen Feuchtigkeitsabsorption, so dass nahezu keine Luftfeuchte durch Diffusion zur Deckscheibe 1 a gelangen kann.
Fig. 2 zeigt schematisch ein Lichtrastermikroskop 20 in Form eines konfokalen Laser-Scan ning-Mikroskops (nachfolgend als LSM abgekürzt), das zum
Mikroskopieren einer Probe P ausgebildet ist. Das LSM 20 wird von einem
Steuergerät 19 gesteuert und umfaßt einen Beleuchtungsstrahlengang B sowie einen Abbiidungsstrahlengang D. Der Beleuchtungsstrahlengang B beleuchtet ein
Fokusvolumen in der Probe P, und der Abbildungsstrahlengang D bildet dieses Fokusvolumen beugungsbegrenzt in die Bildebene 8 zur Detektion ab. Der
Beleuchtungsstrahlengang B und Abbildungsstrahlengang D teilen sich eine Vielzahl von Elementen. Dies ist aber ebensowenig zwingend wie eine scannende
Beleuchtung der Probe P. Diese könnte stattdessen auch weitfefdbeleuchtet werden.
Die Befeuchtung der Probe P erfolgt im LSM 20 mittels eines bereitgestellten
Lasers 6, der über eine Linse 7 auf einen Spiegel 8 eingekoppelt wird. Der Spiegel 8 sorgt dafür, daß der Laserstrahl unter einem Reflexionswinkel auf einen Emissionsfilter 9 fällt. Zur übersichtlicheren Darstellung ist für den Laserstrahl lediglich dessen Hauptachse (die optische Achse des Beleuchtungsstrahlengangs B) eingezeichnet.
Nach Reflexion am Emissionsfilter 9 wird der Laserstrahl von einer verstellbaren Ablenkeinheit 10, beispielsweise ein MEMS-basierter Spiegel, beispielsweise zweiachsig abgelenkt und mittels Linsen 11 und 12 durch ein Mikroskopobjektiv 13 in ein Fokusvolumen 14 in der Probe P fokussiert. Das Fokusvolumen 14 ist dabei in der Darstellung der Fig. 2 punktförmig, es ist jedoch auch ein linienförmiges
Fokusvolumen (oder andere geometrische Formen, z. B. elliptisch) möglich. Im Spot 14 angeregte Fluoreszenzstrahlung wird über das Objektiv 13, die Linsen 11 und 12 wieder zum Scanner 0 gelenkt, hinter dem in Abbildungsrichtung (unabhängig von der Scannerstellung) wiederum ein entlang der optischen Achse verlaufender Lichtstrahl vorliegt. Dieser fällt durch die Emissionsfilter 9 und 15, welche die
Funktion haben, die Fluoreszenzstrahiung aus dem Fokusvolumen 14 hinsichtlich ihrer Wellenlänge zu selektieren und insbesondere von der Beieuchtungsstrahlung des Lasers 6, die beispielsweise als Anregungsstrahlung dienen kann, zu trennen. Eine Linse 6 sorgt dafür, daß insgesamt der Spot 14 in ein beugungsbegrenztes Bild 17 abgebildet wird, welches in einer Detektionsebene 18 liegt. Die
Detektionsebene 18 ist eine konjugierte Ebene zur Ebene, in welcher der Spot 14 in der Probe P liegt. Alternativ kann in einer vorgeschalteten konjugierten Ebene ein Pinhole angeordnet sein. Das Bild 17 des Spots 14 wird in der Detektionsebene 8 von einer Detektoreinrichtung 1 aufgenommen. Wesentlich ist hier, daß die
Detektoreinrichtung 1 das beugungsbegrenzte Bild 17 des Spots 14 in der
Detektionsebene 18 räumlich auflöst, wodurch Details der Punkbildfunktion 8a des Mikroskops 20, insbesondere räumliche Modulationen der PSF, erfasst werden können.
Das Steuergerät 19 steuert alle Komponenten des LSM 20, insbesondere die Ablenkeinheit 10 und die Detektoreinrichtung 1. Das Steuergerät 19 nimmt für verschiedene Ablenkstellungen des Scanners 10 die Daten jedes einzelnen PSF- Bildes 17 auf, analysiert dessen Beugungsstruktur und erzeugt gemäß DE 10 2012 204 128 ein hochaufgelösies Gesamtbild des abgetasteten Bereichs der Probe P.
In Fig. 3 ist ein Ausschnitt einer alternativen Ausführungsform eines Detektors 1 in schematischer Darstellung gezeigt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 springen die Lichtleitfasern 3 gegenüber den Rändern von Block 2 und
Deckel 4 zurück. Außerdem ist auf den Enden der zwischen Block 2 und Deckel 4 gehaltenen Lichtleitfasern 3 beispielhaft jeweils eine diffraktive Optik 21 gemäß EP 635204 A1 aufgebracht, welche eine effizientere Einkopplung des aus den Fasern austretenden Lichts in das betreffende Detektorelement ermöglichen.
Fig. 4 zeigt schließlich unterschiedliche Querschnittsformen von Nuten 5 des
Blocks 2: a) v-förmig, b) rechteckig, c) halbrund. Die Nuten 5 des Deckels 4 können eine vom Block 2 abweichende oder identische Querschnittsform aufweisen. Es ist auch möglich, dass benachbarte Nuten 5 des Blocks 2 (und/oder des Deckels 4) unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.
In Fig. 5 ist ein alternativer Deckel 4 ohne Nuten dargestellt, der mit allen
Nutenformen des Blocks 2 verwendbar ist.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführungsform, in der ein monolithischer Körper 2X in einem Randabschnitt Bohrungen, deren Querschnitt dem Querschnitt der
Faserenden 3a, beispielsweise 125 pm, entspricht, als Öffnungen 24a aufweist. Dieser Randabschnitt ist zum Verkitten mit der Deckscheibe 1 a des Detektors vorgesehen. In einem weiteren Abschnitt sind Bohrungen 24b zweiter Art
angebracht, die einen größeren Querschnitt aufweisen und zur Führung der
Lichtleitfasern 3 dienen. Die Lichtleitfasern 3 sind mit dem Körper 2X verklebt. Bezugszeichenliste
1 Optoelektronischer Detektor
1a Deckscheibe
1 b Lichteintrittsbereich
1 c Dynodenkaskade
2 Block (2X: Körper)
3 Lichtleitfaser (3a, 3b: Enden)
4 Deckel
5 Nut
6 Laser
7 Linse
8 Spiegel
9 Emissionsfilter
10 Ablenkeinheit
11 Linse
12 Linse
13 Mikroskopobjektiv
14 Fokusvolumen
15 Emissionsfilter
16 Linse
17 Bild
18 Detektionsebene {18a: Punktbildfunktion)
19 Steuereinheit
20 Lichtrastermikroskop
21 Diffraktive Optik
22 Kitt
23 Polymermasse
24a Öffnung
24b Bohrung
P Probe
B Beleuchtungsstrahlengang
D Abbildungsstrahlengang
C Bündel

Claims

Patentansprüche . Optoelektronischer Detektor (1 ), insbesondere Photoelektronenvervielfacher, mit einem von einer Deckscheibe (1a), insbesondere aus Glas, lichtdurchlässig verschlossenen Lichteintrittsbereich ( b), dadurch gekennzeichnet, dass ein Körper (2X) aus Glas oder Glaskeramik mit einer Öffnung (24a), in der ein Ende (3a) einer Lichtleitfaser (3) angeordnet ist, so mit der Deckscheibe (1a) verkittet ist, dass das Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) der Deckscheibe ( a) zugewandt ist und seine optische Achse den Lichteintrittsberetch (1 b) durchstößt.
2. Detektor nach Anspruch , wobei der Detektor mehrere Detekttonskanäle,
insbesondere 32, mit einem jeweiligen Lichteintrittsbereich (1 b.i) aufweist und in dem Körper (2X) mehrere, insbesondere eine identische Anzahl, Öffnungen (24a) aufweist, wobei in jeder dieser Öffnungen (24a) ein Ende einer jeweiligen
Lichtleitfaser (3) so angeordnet ist, dass es der Deckscheibe (1 a) zugewandt ist und seine optische Achse einen dem betreffenden Detektionskanal zugeordneten Lichteintrittsbereich (1 b. i) durchstößt.
3. Detektor nach Anspruch 2, wobei die Lichtleitfasern (3) an ihren anderen
Enden (3b) zu einem Bündel (C) zusammengefasst sind, insbesondere in dichtester Packung, insbesondere mit insgesamt hexagonalem Querschnitt.
4. Detektor nach Anspruch 3, wobei die mehreren Lichteintrittsbereiche (1 b.i) linear nebeneinander angeordnet sind und die entsprechende Abfolge der
Lichtleitfasern (3) in dem Bündel (C) in Spiralform angeordnet ist.
5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glas
Borosilikatglas umfasst oder die Glaskeramik Borosilikatglas, insbesondere eine Borosilikatglas-Matrix, umfasst, in dem Glimmer, insbesondere
Fluorophlogopitglimmer, angeordnet ist.
6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Körper einen Block (2) mit einer Nut (2a), in der das Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) angeordnet ist, und einen Deckel (4) aus dem Material des Blocks umfasst, wobei die Nut (5) im Bereich des Endes (3a) der Lichtleitfaser (3) zumindest abschnittsweise durch den Deckel (4) verschlossen ist und die Öffnung (24a) bildet.
7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) in die Nut (5) eingeklebt ist.
8. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckel (4) mit dem Block (2), insbesondere auch mit der Lichtleitfaser (3), verklebt ist.
9. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Deckel (4) eine mit der Nut des Blocks (2) korrespondierende Nut (5) aufweist.
10. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nut des Blocks und/oder des Deckels einen dreieckigen, viereckigen, insbesondere rechteckigen, oder halbelliptischen, insbesondere halbrunden, Querschnitt aufweist,
11. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Körper als Öffnung (24a) eine Bohrung aufweist, deren kleinste Öffnungsweite einem größten Querschnitt der Lichtleitfaser entspricht, wobei die Lichtleitfaser mit dem Körper verklebt ist.
12. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Lichtleitfaser (3) bündig mit dem Rand des Körpers (2X), insbesondere des Deckels (4), endet.
13. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Lichtleitfaser (3)
gegenüber dem Rand des Körpers (2X), insbesondere des Deckels (4), zurückspringt, insbesondere mit einer Optik, insbesondere einer diffraktiven Optik, einer Sammeloptik oder einer Kollimationsoptik, zwischen dem Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) und dem Rand des Körpers (2X), insbesondere des Deckels (4).
14. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Körper (2X)
gegenüber einer Umgebungsatmosphäre durch eine Dichtmasse (23),
insbesondere eine polymere Dichtmasse, wasserdampfdicht abgeschlossen sind.
15. Lichtrastermikroskop (20), insbesondere konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, mit einem Mikroskopobjektiv und einem Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mehreren Detektionskanälen, wobei die detektorfemen Enden der Lichtleitfasern, insbesondere als Bündel (C), zur Aufnahme von Licht aus
Richtung des Mikroskopobjektivs in einer Bildebene des Mikroskopobjektivs oder hinter einer in der Bildebene angeordneten Blende angeordnet sind.
16. Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Detektors (1 ), wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- Bereitstellen eines optoelektronischen Detektors (1 ) mit einem durch eine Deckscheibe (1a) lichtdurchlässig verschlossenen Lichteintrittsbereich (1 b),
- Bereitstellen eines Blocks (2) aus Glas oder Glaskeramik mit einer Nut (5),
- Positionieren eines Endes (3a) einer Lichtleitfaser (3) in der Nut (5),
- Auflegen eines Deckels (2) aus dem Material des Blocks auf den Block (2) zum zumindest abschnittsweisen Verschließen der Nut (5) im Bereich des Endes (3a) der Lichtleitfaser (3),
- Befestigen des Deckels (4) am Block (2), insbesondere durch Aushärten
(lassen) eines Klebstoffs,
- Verkitten des Blocks (2) mit der Deckscheibe (1a) derart, dass das Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) der Deckscheibe (1a) zugewandt ist,
- Verschieben des Blocks (2) parallel zur Schutzscheibe (1a) bis eine optische Achse des Endes (3a) der Lichtleitfaser (3) den Lichteintrittsbereich (1 b) durchstößt.
17. Verfahren zum Herstellen eines optoelektronischen Detektors (1 ), wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- Bereitstellen eines optoelektronischen Detektors (1 ) mit einem durch eine Deckscheibe (1 a) lichtdurchlässig verschlossenen Lichteintrittsbereich ( b),
- Bereitstellen eines Körpers (2X) aus Glas oder Glaskeramik,
- Bohren einer Öffnung (24a) in den Block,
- Positionieren eines Endes (3a) einer Lichtleitfaser (3) in der Öffnung (24a),
- Befestigen der Lichtleitfaser (3) am Körper (2X), insbesondere durch Aushärten (lassen) eines Klebstoffs,
- Verkitten des Körpers (2X) mit der Deckscheibe (1a) derart, dass das Ende (3a) der Lichtleitfaser (3) der Deckscheibe (1 a) zugewandt ist,
- Verschieben des Körpers (2X) parallel zur Schutzscheibe (1 a) bis eine optische
Achse des Endes (3a) der Lichtleitfaser (3) den Lichteintrittsbereich (1 b) durchstößt.
1 S.Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei während des
Verschiebens ein von der Deckscheibe abgewandtes Ende der Lichtleitfaser beleuchtet und mittels des Detektors aus der Lichtleitfaser austretendes Licht detektiert wird, wobei der Block verschoben wird, bis eine vorgegebene
Mindestintensität oder Intensitätsmaximum detektiert wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei nach dem Befestigen der Lichtleitfaser oder des Deckels und vor dem Verkitten das Ende der Lichtleitfaser poliert wird.
20. Anspruchsgegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glas oder die Glaskeramik spanend bearbeitbar ist.
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