WO2015107065A1 - Laser-scanning-mikroskop und verstärkerbaugruppe - Google Patents

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WO2015107065A1
WO2015107065A1 PCT/EP2015/050557 EP2015050557W WO2015107065A1 WO 2015107065 A1 WO2015107065 A1 WO 2015107065A1 EP 2015050557 W EP2015050557 W EP 2015050557W WO 2015107065 A1 WO2015107065 A1 WO 2015107065A1
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Martin Müller
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    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/008—Details of detection or image processing, including general computer control
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03G5/02—Manually-operated control
    • H03G5/14—Manually-operated control in frequency-selective amplifiers

Definitions

  • FIG. 1 shows an example of an LSM beam path on the basis of the 2EISS LSM 710
  • a confocal scanning microscope contains a laser module, which preferably consists of several laser beam sources, which generate illumination light of different wavelengths.
  • a scanning device, in which the illumination light is coupled as an illumination beam, has a main color divider, an x-y scanner and a
  • Measuring light beam is directed via a main color splitter and imaging optics to at least one confocal detection aperture (detection pinhole) of at least one detection channel.
  • the light of two lasers or laser groups LQ1 and LQ2 passes in Fig.1 respectively via main color splitter HFT1 and HFT 2 for the separation of lighting and
  • Detection beam which can be configured as switchable dichroic filter wheels and can also be exchanged to make the selection of wavelengths flexible, and reflect the illumination light
  • a scanner consisting preferably of two independent, for example, galvanometric scanning mirrors for the X and Y deflection, in the direction of a (not shown scanning optics SCO and on this and that
  • the sample light passes in the return direction through the dividers HFT 1, HFT 2 in the direction of detection D.
  • the detection light passes first through a pinhole PH via a Pinholeoptik upstream and downstream Pinholeoptik PHO and a filter assembly F
  • Narrow-band filtering of unwanted radiation components consisting of
  • notch filters and passes through a beam splitter BS, which optionally enables a corresponding coupling on a transmissive portion a decoupling on external detection modules, a mirror M and further deflections on a grid G for the spectral splitting of the detection radiation.
  • the divergent spectral components split by the grating G are collimated by means of an imaging mirror IM and travel in the direction of one
  • Detector arrangement consisting of individual PMT 1, PMT2 in the edge region and a centrally arranged multi-channel detector MPMT.
  • the individual detectors or the individual channels of the multi-channel detector arrangement are each followed by signal amplifiers VS.
  • MEMS scanners or resonance scanners can also be provided as scanners.
  • the effective bandwidth depends on the set scan speed. Therefore, it is set to the maximum scanning speed (large bandwidth).
  • Fig. 2 shows a detector DE such as PMT or APD downstream
  • Amplifier circuit with a, a resistor WD for amplification and a parallel-connected adjustable capacitor KO with a digital or analog control input ST for controlling the bandwidth limitation, which acts as a low pass through the parallel circuit arrangement.
  • KO would be arranged serially downstream of the detector as shown in phantom.
  • Such a component can be used in integrated form, as it is
  • control input of the adjustable capacitor is connected to a central drive unit of the microscope.
  • Fig. 1 is shown schematically that the individual the detectors
  • a drive unit controls the central microscope functions and is also connected to an interactive screen to set user preferences.
  • Part of the user preferences may be a slider on the screen that allows the user to set the scan speed.
  • the set scan speed is then linked to a value of the adjustable capacitor KO programmed, for example via a lookup table, so that the corresponding
  • Capacitor value can be set via the input DI.

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Abstract

Laser-Scanning-Mikroskop mit mindestens einem Scanner zur Änderung der Orientierung von Beleuchtungslicht, und mindestens einem Detektor zur Erfassung von Probenlicht, mit einer Verstärkerbaugruppe zur Verstärkung eines Detektionssignals eines Detektors DE, vorzugsweise einer APD (Avalanche-Photodiode) oder eines PMT (Photomultiplier), wobei die Verstärkerbaugruppe einen einstellbaren Kondensator KO beinhaltet, der abhängig von der Scangeschwindigkeit des Scanners einstellbar ist.

Description

Titel: Laser- Scannin - Mikroskop und Verstärkerbaugruppe
Fig.1 zeigt beispielhaft anhand des 2EISS LSM 710 einen LSM Strahlengang
Es wird zusätzlich auf DE19702753 A1 als Bestandteil der Offenbarung verwiesen die ausführlich einen weiteren LSM Strahlengang beschreibt.
Ein konfokales Scanmikroskop enthält ein Lasermodul, das bevorzugt aus mehreren Laserstrahlquelien besteht, die Beleuchtungslicht unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen. Eine Scaneinrichtung , in die das Beleuchtungslicht als Beleuchtungsstrahl eingekoppelt wird, weist einen Hauptfarbteiler, einen x-y-Scanner und ein
Scanobjektiv sowie ein Mikroskopobjektiv auf, um den Beleuchtungsstrahf durch Strahlablenkung über eine Probe zu führen, die sich auf einem Mikroskoptisch einer Mikroskopeinheit befindet. Ein dadurch erzeugter von der Probe kommender
Messlichtstrahl wird über einen Hauptfarbteiler und eine Abbildungsoptik auf mindestens eine konfokale Detektionsblende (Detektionspinhole) mindestens eines Detektionskanals gerichtet.
Das Licht zweier Laser oder Lasergruppen LQ1 und LQ2 gelangt in Fig.1 jeweils über Hauptfarbteiler HFT1 und HFT 2 zur Trennung von Beleuchtungs- und
Detektionsstrahlengang, die schaltbar als dichroitische Filterräder ausgebildet sein können und auch auswechselbar sein können um die Auswahl der Wellenlängen flexibel zu gestalten, und das Beleuchtungslicht reflektieren
zunächst über einen Scanner, bestehend vorzugsweise aus zwei unabhängigen beispielsweise galvanometrischen Scanspiegeln für die X - und Y Ablenkung, in Richtung einer (nicht dargestellten Scanoptik SCO und über diese und das
Mikroskopobjektiv O in üblicher Weise auf die Probe. Das Probenlicht gelangt in Rückrichtung durch die Teiler HFT 1 , HFT 2 hindurch in Richtung der Detektion D. Hier passiert das Detektionslicht zunächst ein Pinhole PH über eine dem Pinhole vor- und nachgeordnete Pinholeoptik PHO und eine Filteranordnung F zur
schmalbandigen Ausfilterung unerwünschter Strahlungsanteile, bestehend
beispielsweise aus Notchfiltern, und gelangt über einen Strahlteiler BS, der optional bei entsprechender Schaltung über einen transmissiven Anteil eine Auskoppiung auf externe Detektionsmodule ermöglicht, einen Spiegel M sowie weitere Umlenkungen auf ein Gitter G zur spektralen Aufspaltung der Detektionsstrahlung. Die vom Gitter G aufgespalteten divergenten Spektralanteile werden mittels eines abbildenden Spiegels IM kollimiert und gelangen in Richtung einer
Detektoranordnung, die aus einzelnen PMT 1 , PMT2 im Randbereich und einem zentral angeordneten Mehrkanaldetektor MPMT besteht.
Anstelle des Mehrkanaldetektors kann auch ein weiterer Einzeldetektor verwendet werden.
Den Einzeldetektoren bzw. den einzelnen Kanälen der Mehrkanal- Detektoranordnung sind jeweils Signalverstärker VS nachgeordnet.
Vor einer Linse L1 befinden sich zwei senkrecht zur optischen Achse verschiebbare Prismen P1 , P2 im Randbereich; die einen Teil der Spektralanteile vereinigen, die über die Linse L1 auf die einzelnen PMT 1 und 2 fokussiert werden. Der restliche Teil der Detektionsstrahlung wird nach Durchgang durch die Ebene der PMT1 und 2 über eine zweite Linse L2 kollimiert und spektral separiert auf die einzelnen
Detektionskanäle des MPMT gerichtet.
Durch Verschiebung der Prismen P1 , P2 kann in flexibler Weise eingestellt werden, welcher Teil des Probenlichtes über den MPMT spektral separiert detektiert wird und welcher Teil über die Prismen P1 , P2 zusammengefasst durch PMT1 und 2 detektiert wird.
Als Scanner können neben Galvanometerspiegeln auch MEMS Scanner oder Resonanzscanner vorgesehen sein.
In der Bildaufnahme finden derzeit beim Einsatz von PMT wie oben beschrieben Verstärker mit vordefinierter konstanter Bandbreite Anwendung, die den PMT jeweils nachgeordnet sind.
Die effektive Bandbreite ist jedoch von der eingestellten Scangeschwindigkeit (scan- speed) abhängig. Daher wird sie auf die maximale Scangeschwindigkeit eingestellt (große Bandbreite).
Gerade bei kleinen Scangeschwindigkeiten ist jedoch eine große Bandbreite nicht notwendig und wirkt sich negativ aus das Signal/ Rauschverhältnis (SNR) und damit auf die Bildqualttät aus, da mehr Rauschen aufgenommen wird.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche charakterisiert. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäß wird nun mit nur einem vorzugsweise integrierten Bauelement eine dynamische Bandbreiteneinstellung realisiert, so dass die Bandbreite der
Verstärkung
Für die Scangeschwindigkeit individuell eingestellt werden kann. Das verhindert insbesondere dass bei langsamen Scans ein hoher Anteil an weißem Rauschen mit aufgenommen wird der die Bildqualität negativ beeinflusst.
Auch bei der Erprobung zukünftiger Detektorverstärker ist es vorteilhaft die Tiefpässe variabel einstellen zu können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Abbildungen weiter erläutert.
Fig. 2 zeigt eine dem Detektor DE wie PMT oder APD nachgeordnete
Verstärkerschaltung mit einem, einem Widerstand WD zur Verstärkung und einem diesem parallel geschalteten einstellbaren Kondensator KO mit einem digitalen oder analogen Steuereingang ST zur Ansteuerung zur Bandbreitenbegrenzung, der durch die parallele Schaltungsanordnung als Tiefpass wirkt.
Je höher die Kapazität eingestellt wird desto tiefer ist der eingestellte Bandpass.
Im Element E erfolgt eine Strom/ Spannungswandlung durch einen
Operationsverstärker.
In einer Hochpassanwendung würde KO wie gestrichelt dargestellt dem Detektor seriell nachgeordnet angeordnet sein.
Auch ein Betrieb mit zwei einstellbaren Kondensatoren als Hoch - und Tiefpass ist vorstellbar, beispielsweise zur Impulsverstärkung.
In Fig.3 ist schematisch eine Ausführung eines einstellbaren Kondensators beispielhaft dargestellt.
Es wird über ein Interface und eine Kontrolleinheit CO angesteuert. Diese ist mit Schaltern S1-S5 verbunden, die einzeln schaltbar sind und Einzelkondensatoren C1-C5 einzeln zwischen dem Pluseingang und dem
Minusausgang M zu- bzw. abschalten. Da die Kondensatoren C1-C5 parallel geschaltet sind kann die Gesamtkapazität mittels der Schalter S1-S5 entsprechend erhöht oder verringert werden.
Ein solches Bauteil kann in integrierter Form eingesetzt werden, wie es
beispielsweise von der Firma Peregrine Semiconductor als Bauteil PE64904 erhältlich ist.
Vorteilhaft ist der Steuereingang des einstellbaren Kondensators mit einer zentralen Ansteuereinheit des Mikroskops verbunden.
In Fig. 1 ist schematisch dargestellt dass die einzelnen den Detektoren
nachgeordneten Verstärker gemäß Fig. 2 mit einer Ansteuereinheit verbunden sind die zentrale Mikroskopfunktionen steuert und auch mit einem interaktiven Bildschirm verbunden ist um Benutzervorgaben einzustellen.
Teil der Benutzervorgaben kann ein Schieber auf dem Bildschirm sein mit dem der Benutzer die Scangeschwindigkeit einstellt. Die eingestellte Scangeschwindigkeit ist dann mit einem Wert des einstellbaren Kondensators KO programmiert verknüpft, beispielsweise über eine lookup Tabelle, so dass der entsprechende
Kondensatorwert über den Eingang DI eingestellt werden kann.

Claims

Patentansprüche 1.
Laser- Scanning-Mikroskop mit mindestens einem Scanner zur Änderung der Orientierung von Beleuchtungslicht, und mindestens einem Detektor zur Erfassung von Probeniicht, mit einer Verstärkerbaugruppe zur Verstärkung eines Detektionssignals eines Detektors, vorzugsweise einer APD ( Avalanche- Photodiode) oder eines PMT (Photomultiplier), dadurch gekennzeichnet dass die Verstärkerbaugruppe einen einstellbaren Kondensator beinhaltet, der abhängig von der Scangeschwindigkeit des Scanners einstellbar ist.
2.
Verstärkerbaugruppe zur Verstärkung eines Detektionssignals eines Detektors eines Laser- Scanning-Mikroskops (LSM) , vorzugsweise einer APD (Avalanche- Photodiode) oder eines PMT (Photomultiplier), dadurch gekennzeichnet dass die Verstärkerbaugruppe einen einstellbaren Kondensator beinhaltet, der abhängig von der Scangeschwindigkeit des Scanners des LSM einstellbar ist.
3.
Verfahren zum Betrieb eines Laser-Scanning-Mikroskops (LSM), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Detektionssignal mindestens eines Detektors des LSM verstärkt wird und bei der Verstärkung über einen einstellbaren Kondensator ein Hochpass und / oder Tiefpass eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur Anpassung an die Scangeschwindigkeit durch den Kondensator ein Tiefpass eingestellt wird.
5.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei zur impulsverstärkung durch den Kondensator ein Hochpass eingestellt wird.
6.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, wobei die Einstellung des Kondensators über ein analoges oder digitales Interface erfolgt.
Verfahren oder Anordnung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, wobei Eingabem ittel zur Eingabe einer Scangeschwindigkeit vorgesehen sind und die eingegebene Scangeschwindigkeit mit einem eingestellten Wert eines einstellbaren Kondensators verknüpft wird.
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