WO2018158094A1 - Detektorbaugruppe und mikroskop mit einer solchen detektorbaugruppe - Google Patents

Detektorbaugruppe und mikroskop mit einer solchen detektorbaugruppe Download PDF

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WO2018158094A1
WO2018158094A1 PCT/EP2018/053976 EP2018053976W WO2018158094A1 WO 2018158094 A1 WO2018158094 A1 WO 2018158094A1 EP 2018053976 W EP2018053976 W EP 2018053976W WO 2018158094 A1 WO2018158094 A1 WO 2018158094A1
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detector
fiber
light
fibers
detector assembly
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PCT/EP2018/053976
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Inventor
Sebastian Borck
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/0076—Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/361—Optical details, e.g. image relay to the camera or image sensor

Definitions

  • the invention relates to a detector assembly according to the preamble of claim 1 and a microscope with such a detector assembly.
  • DE 10 2013 019 348 A1 discloses a microscope for high-resolution scanning microscopy of a sample.
  • the microscope has a lighting device for
  • the detector has a detector array with pixels.
  • Detection light is guided by fiber bundles of photoconductive fibers on the detector.
  • the invention has the object of reason, another and new way to efficient
  • the aim of the invention is to provide a suitable detector assembly and a microscope.
  • the object is achieved with respect to the detector assembly by the subjects of claim 1. With regard to the microscope, the object is achieved by the subject matter of claim 13.
  • the detector assembly comprises a light manager which is designed for the distribution and / or spectral splitting of detection light and for the directed steering of the detection light onto at least one fiber input of a light-conducting fiber.
  • a detector for detecting detection light and / or for detecting spectral components of the detection light is provided at a fiber exit of the light-conducting fiber.
  • the detector may also be associated with the fiber output so that detection light from the fiber output reaches the detector and can be detected by the latter.
  • At least one further light manager is present in the detector assembly, which is connected to the detector via at least one further light-conducting fiber in such a way that detection light and / or spectral components of the detection light can be directed or directed onto the detector by the further light manager.
  • a light manager is to be understood as meaning optical or optoelectronic components or arrangements by which functional aspects such as, for example, the spatial splitting of a spectrum of the detection light for a spectrometer or the mapping of a PSF (point-spread-function) to a light-conducting Fiber or a fiber bundle can be met.
  • Light managers are for example scanners, spatial ones
  • Light modulators, grating and prism spectrometer or various arrangements of optical filters may belong to a microscope.
  • light managers of two devices for example two separate microscopes, to be present as elements of the detector module.
  • Detection light is light to be detected and may be, for example, reflected light from a sample to be imaged. Furthermore, detection light may also be light that due to a
  • Excitation radiation was excited and emitted in the sample, as is known for example in fluorescence microscopy. If a spectral splitting of the detection light takes place by the light manager, corresponding spectral components of the detection light are directed to a fiber input or to fiber inputs of one or more light-conducting fibers. In the following, simplification is used for detection light.
  • the detector is advantageously a multi-channel detector, for example a multi-channel photomultiplier (photomultiplier: PMT), or different types of photodiodes in order to achieve, for example, high spatial resolutions of the images.
  • a multi-channel detector for example a multi-channel photomultiplier (photomultiplier: PMT), or different types of photodiodes in order to achieve, for example, high spatial resolutions of the images.
  • PMT photomultiplier
  • the photoconductive fibers may be single fibers or may each be formed as a fiber bundle comprising a number of individual fibers. Each of the individual fibers can be considered as a single optical fiber. For the sake of simplicity, reference will be made below to light-conducting fibers or fibers, unless express reference is made to fiber bundles and / or individual fibers.
  • Fiber inputs and / or fiber outputs may be equidistant or non-equidistant to one another. Furthermore, combinations of equidistant and non-equidistant
  • To increase the light efficiency can optionally before the fiber inputs, for example, before not equidistant to each other arranged fiber inputs, a microlens array or a
  • the light-conducting fibers with their fiber outputs are permanently connected to the detector by, for example, cemented, glued or welded thereto.
  • the respective light-conducting fibers can be detachably connected to the detector and / or to one of the light managers, for example by means of a fiber connector.
  • a fiber connector Such a solution allows easy installation, maintenance and easy replacement.
  • the participating devices and assemblies such as detector and light manager can be replaced if necessary.
  • adaptation to changing characteristics and configurations of detector and light manager when using fiber connectors is simplified.
  • the fibers on the light manager or the detector may be permanently connected to one of their ends and the corresponding other ends to be detachably connected or connectable to the detector or to the light manager.
  • the detector is arranged in a housing.
  • the housing has, for example, in one of the housing walls inputs for the photoconductive fibers on.
  • the inputs may be openings in which the fibers are permanently attached.
  • the inputs may be formed as slots for one or more fiber connectors.
  • the fiber outputs of the fibers attached to the housing are directed into the housing. Between the fiber outputs of the photoconductive fibers and the detector can be a controllable
  • light-conducting fibers is formed to at least one channel of the detector.
  • a housing can serve a closed container on all sides. It is also possible that the housing has at least one open side surface or is formed as a grid frame.
  • the deflection device which can have a controllable tilting mirror, serves, for example, to selectively supply detection light emitted by a fiber output to a designated area of a detection area of the detector so as to supply, for example, the relevant detection light to a selected channel and / or a detection element of the detector. It also serves, for example, for adjusting the beam path or the beam paths in at least one spatial direction.
  • the deflection device also has adjusting means and / or a control unit.
  • an imaging optics and / or a wobble plate can be arranged in a beam path between the deflection device and the detector.
  • the detection light is imaged onto the detector by means of the imaging optics, for example by means of a 2f imaging optics.
  • Wobelplatte is an adjustment of the beam path in at least one other spatial direction possible.
  • the light-conducting fibers can in a further embodiment detector side, so everyone
  • Fiber output a, an antireflection coating exhibiting optical element downstream.
  • Such an AR-coated optical element serves to reduce unwanted
  • the optical element is anti-reflection coated on one side and cemented directly to the light-conducting fibers with the uncoated side.
  • the AR-coated optical element is, for example, a glass or plastic plate transparent to the detection light.
  • the fiber outputs must be connected to the AR-coated optical element or to the AR-coated optical elements, for example cemented.
  • the fiber input of a fiber-optic fiber formed as a fiber bundle may be formed in a possible embodiment as a linear arrangement of the individual fibers.
  • the fiber bundle can be subordinated to a grating or prism-based optical spectrometer and the spatially and spectrally split light can be supplied to the detector.
  • Another advantage of this arrangement is that by an individual adjustment of the distances of the individual fibers, the dispersion for the detector, for example, in a prism spectrometer, can be further adapted in addition.
  • the fiber input of a further fiber bundle can also have a hexagonal arrangement of the individual fibers.
  • a hexagonal arrangement can be used, for example, to image a two-dimensional light distribution onto a one-dimensional sensor.
  • the detector assembly according to the invention is advantageously used in a microscope.
  • a microscope allows a flexible operation at the same time less need for space and cost-intensive optoelectronic components, especially of multi-channel detectors.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a detector assembly according to the invention and a microscope according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of a detector assembly according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a third embodiment of a detector assembly according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a fourth exemplary embodiment with an antireflection-coated optical element
  • Fig. 5 is a partial schematic representation of a fifth embodiment of a
  • Fig. 6 is a schematic representation of an embodiment of a photoconductive fiber with non-equidistant to each other arranged individual fibers and
  • Fig. 7 is a schematic representation of an embodiment of a light-conducting fiber with non-equidistantly arranged individual fibers.
  • a light manager 3.1 and a further light manager 3.2 are present, which by means of a light-conducting fiber. 5
  • the first light manager 3.1 is designed, for example, as a component of a spectrometer of a microscope 1 designed as an LSM. Detection light 4 (symbolized by an arrow) or spectral components of the detection light 4 are coupled into the fiber 5 via a fiber input 5m. The fiber 5 is attached to the detector 8 so that coupled
  • Detection light 4 at a fiber output 5 0U t the fiber 5 exits and is detected by the detector 8 or can be detected.
  • the microscope 1 further comprises the further light manager 3.2, which is present as a component of an airyscan microscope.
  • Detection light 4 (again symbolized by an arrow) is coupled via a fiber input 6m into the fiber 6 and emitted via a fiber output 6 0U t and detected by the detector 8.
  • the detector 8 is shown arranged in a housing 11.
  • the fiber 5 and the other fiber 6 with their fiber outputs 5 0D t, 6 0D t at the detector 8 inextricably attached.
  • the fibers 5, 6 are guided through openings in a housing wall 12 of the housing 11 out of this.
  • each fiber connector 10 are available.
  • the fibers 5, 6 are by means of the fiber connector 10 with the light manager 3.1 or with the other Light manager 3.2 connected.
  • the detector 8 is designed as a 16-channel or as a 32-channel phtotomultiplier, for example as a GaAsP PMT.
  • Detection light 4 of a plurality of fibers 5, 6, 7 can be imaged on the detector 8 in an exemplary embodiment shown in FIG. 3.
  • the detector 8 is arranged in the housing 11.
  • inputs with fiber sockets 18 are present, in each of which a fiber plug 10, each with a fiber 5, 6, 7 is inserted.
  • the fiber outputs 5 0U t, 6 0U t, 7 0U t are on one
  • Deflector 13 directed.
  • the respective beam paths of fiber output 5 0U t, 6 0U t, 7 0U t to the deflection device 13 are shown in different types of lines for better illustration.
  • An associated position of the deflector 13 is shown with the same linetype.
  • the detection light 4 emitted by one of the fiber outputs 5 0U t, 6 0U t, 7 0U t is along an optical axis OA shown with a dash-dot line and extending in the direction of the axis z of a Cartesian coordinate system directed to the detector 8.
  • the deflection device 13 has a pivoting mirror, which is controlled by at least one drive, not shown, pivotable about the axis y.
  • Detection light 4 passes in dependence on a current position of the deflection device 13 through an imaging optics 14 and a wobble plate 15 to the detector 8.
  • Detection light 4 passes in dependence on a current position of the deflection device 13 through an imaging optics 14 and a wobble plate 15 to the detector 8.
  • the deflection device 13 is used in addition to the selection of
  • the wobble plate 15 is controlled to pivot about the axis -y and serves for the horizontal adjustment of the beam paths.
  • a control unit 17 is formed and connected to the components to be controlled of the detector assembly 2.
  • the control unit 17 can additionally serve the evaluation of detected signals of the detector 8.
  • the illustrated in Fig. 4 fourth embodiment of the detector assembly 2 corresponds to the third embodiment, wherein additionally in the beam paths between the fiber connectors 10 with the respective fiber outputs 5 0U t, 6 0U t, 7 0U t and the deflection device 13 with a
  • Antireflection coating provided AR-coated optical elements 16 are arranged so that in each case one of the optical elements 16 of each of the beam paths of the
  • Fiber outputs 5 0U t, 6 0U t, 7 0U t has passed through.
  • the optical elements 16 are cemented to the fibers 5, 6 and 7. This is advantageous a complex AR coating of
  • Fiber outputs 5 0U t, 6 0U t, 7 0U t avoided.
  • the AR coated optical elements 16 are each formed by a transparent anti-reflection plate for the detection light 4.
  • a fiber bundle 9 formed from individual fibers 9.1 is shown in FIG.
  • the fiber 5 a single fiber 9.1 and only some of the detector elements 8.n of the detector 8 are shown in order to allow a clear representation.
  • the fiber bundle 9 points in the area of
  • Fiber inputs 5m a hexagonal arrangement of the individual fibers 9.1, which are arranged in an XY plane, which is spanned by the axes x and y.
  • detection light 4 can be coupled by means of one of the light manager, in the illustrated case by means of the light manager 3.1, which is guided to the fiber output 5 0Ut on the principle of total reflection.
  • Each of the individual fibers 9.1 is connected inseparably to a detector element 8 .n of the detector 8 so that detection light 4 coupled into the individual fiber 9.1 can be detected or detected by means of the respective associated detector element 8.
  • the individual fibers of a fiber bundle 9 may be arranged in embodiments of the invention non-equidistant from each other, as shown in Fig. 6.
  • Fiber bundle 9 formed fiber 5.
  • a microlens array 19 precedes the fiber inputs 5m. Such a microlens array advantageously increases the light efficiency of the detector assembly 2.
  • the individual fibers 9.1 to 9.7 of the fiber exit 5 0Ut may be arranged non-equidistant.
  • FIG. 7 shows an equidistant and linear arrangement of the individual fibers of a fiber bundle 9, wherein the individual fibers 9.1 to 9.7 are arranged linearly.
  • the centers, not shown, of adjacent individual fibers 9.1 to 9.7 are equidistant from each other.
  • Fiber bundles 9 formed fiber 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektorbaugruppe (2) umfassend einen Lichtmanager (3.1), der zur Verteilung und/oder spektralen Aufspaltung von Detektionslicht (4) und zur gerichteten Lenkung des Detektionslichts (4) auf wenigstens einen Fasereingang (5in) einer lichtleitenden Faser (5) ausgebildet ist,und einen Detektor (8) zur Erfassung von Detektionslicht (4) und/oder spektralen Anteilen des Detektionslichts (4) an einem Faserausgang (5out) der lichtleitenden Faser (5). Erfindungsgemäß ist wenigstens ein weiterer Lichtmanager (3.2) vorhanden, der über wenigstens eine weitere lichtleitende Faser (6,7) mit dem Detektor (8) derart verbunden ist, dass durch den weiteren Lichtmanager (3.2) Detektionslicht (4) und/oder spektrale Anteile des Detektionslichts (4) auf den Detektor (8) gerichtet beziehungsweise richtbar sind. Die Erfindung betrifft ferner ein oder mehrere Mikroskope (1) mit einer Detektorbaugruppe (2).

Description

Detektorbaugruppe und Mikroskop mit einer solchen Detektorbaugruppe
Die Erfindung betrifft eine Detektorbaugruppe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Mikroskop mit einer solchen Detektorbaugruppe.
In modernen Mikroskopen, insbesondere in Laser-Scanning-Mikroskopen (nachfolgend mit LSM abgekürzt), werden oft Detektoren eingesetzt, die mehrere Detektionskanäle aufweisen. Solche Detektoren sind sehr kostenintensiv.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2013 019 348 AI ein Mikroskop zur hochauflösenden Scanning- Mikroskopie einer Probe bekannt. Das Mikroskop weist eine Beleuchtungseinrichtung zum
Beleuchten der Probe, eine Abbildungseinrichtung, einen Detektor zum Erfassen von Detektionslicht und eine Auswerteeinrichtung auf. Der Detektor besitzt ein Detektorarray mit Pixeln. Das
Detektionslicht wird mittels Faserbündeln lichtleitender Fasern auf den Detektor geführt.
Mittels einer spektralen Aufspaltung des Detektionslichts und einer separaten Zuführung der spektralen Anteile des Detektionslichts auf den Detektor können mit nur einem Detektor simultan unterschiedliche Wellenlängenbereiche erfasst werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grund, eine weitere und neue Möglichkeit zur effizienten
Auslegung einer Detektorbaugruppe und einer flexiblen Nutzung einer solchen Detektorbaugruppe vorzuschlagen. Ziel der Erfindung ist es, eine dafür geeignete Detektorbaugruppe und ein Mikroskop anzugeben.
Die Aufgabe wird hinsichtlich der Detektorbaugruppe durch die Gegenstände des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Mikroskops wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Detektorbaugruppe umfasst einen Lichtmanager, der zur Verteilung und/oder spektralen Aufspaltung von Detektionslicht und zur gerichteten Lenkung des Detektionslichts auf wenigstens einen Fasereingang einer lichtleitenden Faser ausgebildet ist. Außerdem ist ein Detektor zur Erfassung von Detektionslicht und/oder zur Erfassung von spektralen Anteilen des Detektionslichts an einem Faserausgang der lichtleitenden Faser vorhanden. Der Detektor kann dem Faserausgang auch so zugeordnet sein, dass Detektionslicht von dem Faserausgang zu dem Detektor gelangt und durch diesen erfassbar ist.
Erfindungsgemäß ist in der Detektorbaugruppe wenigstens ein weiterer Lichtmanager vorhanden, der über wenigstens eine weitere lichtleitende Faser mit dem Detektor derart verbunden ist, dass durch den weiteren Lichtmanager Detektionslicht und/oder spektrale Anteile des Detektionslichts auf den Detektor gerichtet werden beziehungsweise gerichtet werden können.
Unter einem Lichtmanager sind im Sinne dieser Beschreibung optische oder optoelektronische Bauteile oder Anordnungen zu verstehen, durch die funktionale Aspekte wie beispielsweise die räumliche Aufspaltung eines Spektrums des Detektionslichts für ein Spektrometer oder die Abbildung einer PSF (point-spread-function, Punktverteilungsfunktion) auf eine lichtleitende Faser oder ein Faserbündel erfüllt werden können. Lichtmanager sind beispielsweise Scanner, räumliche
Lichtmodulatoren, Gitter- sowie Prismenspektrometer oder verschiedentliche Anordnungen optischen Filtern. Lichtmanager und weiterer Lichtmanager können beispielsweise zu einem Mikroskop gehören. Es können in weiteren Ausführungen auch Lichtmanager zweier Geräte, beispielsweise zweier voneinander getrennter Mikroskope, als Elemente der Detektorbaugruppe vorhanden sein.
Detektionslicht ist zu detektierendes Licht und kann beispielsweise von einer abzubildenden Probe reflektiertes Licht sein. Ferner kann Detektionslicht auch Licht sein, das aufgrund einer
Anregungsstrahlung in der Probe angeregt und emittiert wurde, wie dies beispielsweise bei der Fluoreszenzmikroskopie bekannt ist. Erfolgt durch den Lichtmanager eine spektrale Aufspaltung des Detektionslichts, werden entsprechend spektrale Anteile des Detektionslichts auf einen Fasereingang beziehungsweise auf Fasereingänge einer beziehungsweise mehrerer lichtleitender Fasern gerichtet. Nachfolgend wird vereinfachend von Detektionslicht gesprochen.
Der Detektor ist vorteilhaft ein Mehrkanaldetektor, beispielsweise ein Mehrkanal-Photomultiplier (Photomultiplier: PMT), oder unterschiedliche Arten von Photodioden um beispielsweise hohe räumliche Auflösungen der Abbildungen zu erreichen.
Die lichtleitenden Fasern können einzelne Fasern sein oder jeweils als Faserbündel umfassend eine Anzahl von Einzelfasern ausgebildet sein. Jede der Einzelfasern kann als ein einzelner Lichtleiter angesehen werden. Der Einfachheit halber wird nachfolgend von lichtleitenden Fasern oder Fasern gesprochen, falls nicht ausdrücklich auf Faserbündel und/oder Einzelfasern Bezug genommen wird.
Lichtleitende Fasern sind vorteilhaft Multimode-Fasern, um eine hohe Flexibilität der
Verwendungsmöglichkeiten der Detektorbaugruppe zu erreichen.
Fasereingänge und/oder Faserausgänge können äquidistant oder nicht-äquidistant zueinander ausgebildet sein. Weiterhin sind Kombinationen von äquidistanten und nicht-äquidistanten
Fasereingängen und Faserausgängen möglich.
Zur Erhöhung der Lichteffizienz kann optional vor den Fasereingängen, beispielsweise vor nicht- äquidistant zueinander angeordneten Fasereingängen, ein Mikrolinsenarray oder ein
wirkungsgleiches Element angeordnet sein.
In möglichen Ausführungen der erfindungsgemäßen Detektorbaugruppe sind die leichtleitenden Fasern mit ihren Faserausgängen mit dem Detektor unlösbar verbunden, indem sie beispielsweise mit diesem verkittet, verklebt oder verschweißt sind.
Vorteile einer solchen Ausführung sind deren preiswerte Herstellung und die gute mechanische Belastbarkeit der Verbindungen. Allerdings ist die Anzahl der lichtleitenden Fasern festgelegt und nachträglich nicht flexibel veränderbar und nur aufwändig zu warten.
Es ist auch möglich, dass die jeweiligen lichtleitenden Fasern mit dem Detektor und/oder mit einem der Lichtmanager lösbar, beispielsweise mittels eines Fasersteckers, verbunden sind. Eine solche Lösung erlaubt eine einfache Montage, Wartung sowie einen einfachen Austausch. Die beteiligten Geräte und Baugruppen wie Detektor und Lichtmanager können bei Bedarf ausgetauscht werden. Außerdem ist eine Anpassung an sich verändernde Eigenschaften und Konfigurationen von Detektor und Lichtmanager bei einer Nutzung von Fasersteckern vereinfacht.
Es ist natürlich auch möglich, dass die Fasern an dem Lichtmanager oder dem Detektor mit einem ihrer Enden unlösbar verbunden sind und die entsprechenden anderen Enden lösbar mit dem Detektor beziehungsweise mit dem Lichtmanager verbunden oder verbindbar sind.
In einer weiteren Ausführung der Detektorbaugruppe ist der Detektor in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist beispielsweise in einer der Gehäusewände Eingänge für die lichtleitenden Fasern auf. Die Eingänge können Öffnungen sein, in denen die Fasern unlösbar befestigt sind. Alternativ dazu können die Eingänge als Steckplätze für einen oder mehrere Faserstecker ausgebildet sein.
Die Faserausgänge der an dem Gehäuse befestigten Fasern sind in das Gehäuse gerichtet. Zwischen den Faserausgängen der lichtleitenden Fasern und dem Detektor kann eine steuerbare
Ablenkvorrichtung vorhanden sein, die zur gesteuerten Zuordnung von Strahlwegen der
lichtleitenden Fasern zu wenigstens einem Kanal des Detektors ausgebildet ist.
Als Gehäuse kann ein allseitig geschlossenes Behältnis dienen. Es ist auch möglich, dass das Gehäuse wenigstens eine offene Seitenfläche aufweist oder als ein Gitterrahmen ausgebildet ist.
Die Ablenkvorrichtung, die einen steuerbaren Schwenkspiegel aufweisen kann, dient beispielsweise dazu, von einem Faserausgang emittiertes Detektionslicht gezielt einem vorgesehenen Bereich einer Detektionsfläche des Detektors zuzuleiten, um so beispielsweise das betreffende Detektionslicht einem ausgewählten Kanal und/oder einem Detektionselement des Detektors zuzuführen. Sie dient beispielsweise auch zur Justage des Strahlwegs beziehungsweise der Strahlwege in wenigstens einer Raumrichtung. Die Ablenkvorrichtung weist zudem Stellmittel und/oder eine Steuereinheit auf.
In einem Strahlweg zwischen der Ablenkvorrichtung und dem Detektor können eine Abbildungsoptik und/oder eine Wackelplatte angeordnet sein. Das Detektionslicht wird mittels der Abbildungsoptik, beispielsweise mittels einer 2f-Abbildungsoptik, auf den Detektor abgebildet. Mittels der
Wackelplatte ist eine Justage des Strahlwegs in wenigstens einer weiteren Raumrichtung möglich.
Den lichtleitenden Fasern kann in einer weiteren Ausführung detektorseitig, also jedem
Faserausgang, ein, eine Antireflexbeschichtung aufweisendes, optisches Element nachgeordnet sein. Ein solches AR-beschichtetes optisches Element dient der Reduzierung von unerwünschten
Reflexionsverlusten. Dazu ist das optische Element einseitig Anti-Reflex-beschichtet und mit der unbeschichteten Seite direkt mit den lichtleitenden Fasern verkittet.
Das AR-beschichtete optische Element ist beispielsweise eine für das Detektionslicht transparente Platte aus Glas oder Kunststoff. Die Faserausgänge müssen mit dem AR-beschichteten optischen Element beziehungsweise mit den AR-beschichteten optischen Elementen verbunden, beispielsweise verkittet, sein.
Der Fasereingang einer als Faserbündel ausgebildeten lichtleitenden Faser kann in einer möglichen Ausführungsform als eine lineare Anordnung der Einzelfasern ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Faserbündel einem optischen Spektrometer auf Gitter- oder Prismenbasis nachgeordnet werden und das räumlich und spektral aufgespaltene Licht dem Detektor zugeführt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass durch eine individuelle Anpassung der Abstände der Einzelfasern, die Dispersion für den Detektor, beispielsweise bei einem Prismenspektrometer, zusätzlich weiter angepasst werden kann.
Der Fasereingang eines weiteren Faserbündels kann aber auch eine hexagonale Anordnung der Einzelfasern aufweisen. Eine solche hexagonale Anordnung kann zum Beispiel benutzt werden, um eine zweidimensionale Lichtverteilung auf einen eindimensionalen Sensor abzubilden.
Die erfindungsgemäße Detektorbaugruppe ist vorteilhaft in einem Mikroskop verwendet. Ein derartiges Mikroskop erlaubt eine flexible Betriebsweise bei zugleich geringerem Bedarf an Bauraum und kostenintensiven optoelektronischen Komponenten, besonders von Mehrkanaldetektoren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Detektorbaugruppe und eines erfindungsgemäßen Mikroskops,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Detektorbaugruppe,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Detektorbaugruppe,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels mit einem Antireflex- beschichteten optischen Element,
Fig. 5 eine schematische Teildarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Detektorbaugruppe,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtleitenden Faser mit nicht-äquidistant zueinander angeordneten Einzelfasern und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer lichtleitenden Faser mit nicht-äquidistant zueinander angeordneten Einzelfasern.
Als wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Detektorbaugruppe 2 sind ein Lichtmanager 3.1 und ein weiterer Lichtmanager 3.2 vorhanden, die mittels einer lichtleitenden Faser 5
beziehungsweise einer weiteren lichtleitenden Faser 6 mit einem Detektor 8 verbunden sind.
Der erste Lichtmanager 3.1 ist beispielhaft als Komponente eines Spektrometers eines als LSM ausgebildeten Mikroskops 1 ausgebildet. Detektionslicht 4 (durch einen Pfeil symbolisiert) beziehungsweise spektrale Anteile des Detektionslichts 4 sind über einen Fasereingang 5m der Faser 5 in diese eingekoppelt. Die Faser 5 ist an dem Detektor 8 so befestigt, dass eingekoppeltes
Detektionslicht 4 an einem Faserausgang 50Ut der Faser 5 austritt und durch den Detektor 8 erfasst wird beziehungsweise erfassbar ist.
Das Mikroskop 1 umfasst ferner den weiteren Lichtmanager 3.2, der als Komponente eines Airyscan- Mikroskops vorhanden ist. Detektionslicht 4 (wieder durch einen Pfeil symbolisiert) wird über einen Fasereingang 6m in die Faser 6 eingekoppelt und über einen Faserausgang 60Ut emittiert und durch den Detektor 8 erfasst.
In der Fig. 2 ist der Detektor 8 in einem Gehäuse 11 angeordnet dargestellt. Die Faser 5 und die weitere Faser 6 sind mit ihren Faserausgängen 50Ut, 60Ut an dem Detektor 8 unlösbar befestigt. Die Fasern 5, 6 sind durch Öffnungen in einer Gehäusewand 12 des Gehäuses 11 aus diesem nach außen geführt. An den Fasereingängen 5m, 6m sind jeweils Faserstecker 10 vorhanden. Die Fasern 5, 6 sind mittels der Faserstecker 10 mit dem Lichtmanager 3.1 beziehungsweise mit dem weiteren Lichtmanager 3.2 verbunden. Der Detektor 8 ist als ein 16-Kanal- oder als ein 32-Kanal- Phtotomultiplier, beispielsweise als ein GaAsP-PMT, ausgebildet.
Detektionslicht 4 mehrerer Fasern 5, 6, 7 kann in einem in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel auf den Detektor 8 abgebildet werden. Der Detektor 8 ist in dem Gehäuse 11 angeordnet. In einer Gehäusewand 12 sind Eingänge mit Faserbuchsen 18 vorhanden, in die jeweils ein Faserstecker 10 mit je einer Faser 5, 6, 7 eingesteckt ist. Die Faserausgänge 50Ut, 60Ut, 70Ut sind auf eine
Ablenkvorrichtung 13 gerichtet. Die jeweiligen Strahlwege von Faserausgang 50Ut, 60Ut, 70Ut bis zur Ablenkvorrichtung 13 sind zur besseren Veranschaulichung in verschiedenen Stricharten dargestellt. Eine jeweils zugehörige Stellung der Ablenkvorrichtung 13 ist mit derselben Strichart gezeigt. In einer zugehörigen Stellung der Ablenkvorrichtung 13 wird das von einem der Faserausgänge 50Ut, 60Ut, 70Ut emittierte Detektionslicht 4 entlang einer mit einer Strich-Punkt-Linie gezeigten und in Richtung der Achse z eines kartesischen Koordinatensystems verlaufenden optischen Achse OA auf den Detektor 8 gerichtet. Die Ablenkvorrichtung 13 weist einen Schwenkspiegel auf, der mittels wenigstens eines nicht näher dargestellten Antriebs gesteuert um die Achse y schwenkbar ist.
Von wenigstens einem der Faserausgänge 50Ut, 60Ut, 70Ut emittiertes oder abgestrahltes
Detektionslicht 4 gelangt in Abhängigkeit von einer aktuellen Stellung der Ablenkvorrichtung 13 durch eine Abbildungsoptik 14 und eine Wackelplatte 15 zum Detektor 8. In der in Fig. 3
dargestellten Ausführungsvariante dient die Ablenkvorrichtung 13 neben der Auswahl der
Strahlwege auch der vertikalen Justage. Die Wackelplatte 15 ist gesteuert um die Achse -y schwenkbar und dient der horizontalen Justage der Strahlwege.
Wird die Detektorbaugruppe 2 gedreht und/oder sind die Fasern 5, 6, 7 an anderen
Gehäusewänden 12 angesteckt, erfolgen die Justagen sinnentsprechend in die jeweiligen
Raumrichtungen.
Zur Ansteuerung der Ablenkvorrichtung 13, zur gegebenenfalls erforderlichen Justage, zur
Ansteuerung der Abbildungsoptik 14 und/oder der Wackelplatte 15 und/oder zur Ansteuerung des Detektors 8 ist eine Steuereinheit 17 ausgebildet und mit den anzusteuernden Komponenten der Detektorbaugruppe 2 verbunden. Die Steuereinheit 17 kann zusätzlich der Auswertung von erfassten Signalen des Detektors 8 dienen.
Das in der Fig. 4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Detektorbaugruppe 2 entspricht dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich in den Strahlwegen zwischen den Fasersteckern 10 mit den jeweiligen Faserausgängen 50Ut, 60Ut, 70Ut und der Ablenkvorrichtung 13 mit einer
Antireflexbeschichtung versehene AR-beschichtete optische Elemente 16 so angeordnet sind, dass jeweils eines der optischen Elemente 16 von je einem der Strahlwege der
Faserausgänge 50Ut, 60Ut, 70Ut durchlaufen ist. Die optischen Elemente 16 sind mit den Fasern 5, 6 und 7 verkittet. Damit ist vorteilhaft eine aufwendige AR-Beschichtung der
Faserausgänge 50Ut, 60Ut, 70Ut vermieden.
Die AR-beschichteten optischen Elemente 16 sind jeweils durch eine für das Detektionslicht 4 transparente Platte mit einer Antireflexbeschichtung gebildet.
Ein aus Einzelfasern 9.1 gebildetes Faserbündel 9 ist in Fig. 5 gezeigt. Beispielhaft sind die Faser 5, eine Einzelfaser 9.1 und lediglich einige der Detektorelemente 8.n des Detektors 8 dargestellt, um eine übersichtliche Darstellung zu ermöglichen. Das Faserbündel 9 weist im Bereich der
Fasereingänge 5m eine hexagonale Anordnung der Einzelfasern 9.1 auf, die in einer X-Y-Ebene angeordnet sind, die durch die Achsen x und y aufgespannt ist. In jede der Einzelfasern 9.1 kann mittels eines der Lichtmanager, im dargestellten Fall mittels des Lichtmanagers 3.1, Detektionslicht 4 eingekoppelt werden, das nach dem Prinzip der Totalreflektion zum Faserausgang 50Ut geführt ist. Jede der Einzelfasern 9.1 ist genau mit einem Detektorelement 8.n des Detektors 8 unlösbar verbunden, so dass in die Einzelfaser 9.1 eingekoppeltes Detektionslicht 4 mittels des jeweils zugeordneten Detektorelements 8.n erfassbar ist beziehungsweise erfasst wird.
Die Einzelfasern eine Faserbündels 9 können in Ausführungsbeispielen der Erfindung nicht- äquidistant zueinander angeordnet sein, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Die vereinfachend dargestellten Querschnitte der Einzelfasern 9.1 bis 9.7 bilden beispielsweise den Fasereingang 5m der als
Faserbündel 9 ausgebildeten Faser 5.
Als ein optionales Element ist ein Mikrolinsenarray 19 den Fasereingängen 5m vorgeordnet. Ein solches Mikrolinsenarray 19 erhöht vorteilhaft die Lichteffizienz der Detektorbaugruppe 2.
In weiteren Ausführungen können die Einzelfasern 9.1 bis 9.7 des Faserausgangs 50Ut nicht- äquidistant angeordnet sein.
Die Fig. 7 zeigt eine äquidistante und lineare Anordnung der Einzelfasern eines Faserbündels 9, wobei die Einzelfasern 9.1 bis 9.7 linear angeordnet sind. Die nicht dargestellten Mittelpunkte benachbarter Einzelfasern 9.1 bis 9.7 sind gleich weit voneinander entfernt. Die vereinfachend dargestellten Querschnitte der Einzelfasern 9.1 bis 9.7 bilden beispielsweise den Fasereingang 5m der als
Faserbündel 9 ausgebildeten Faser 5. In weiteren Ausführungen bilden die vereinfachend
dargestellten Querschnitte der Einzelfasern 9.1 bis 9.7 den Faserausgang 50Ut der als Faserbündel 9 ausgebildeten Faser 5.
Bezugszeichen
1 Mikroskop
2 Detektorbaugruppe
3.1 Lichtmanager
3.2 weiterer Lichtmanager
4 Detektionslicht
5 lichtleitende Faser
5in Fasereingang
5out Faserausgang
6 weitere lichtleitende Faser
6in Fasereingang
6out Faserausgang
7 weitere lichtleitende Faser
7in Fasereingang
7out Faserausgang
8 Detektor
8.n Detektorelement
9 Faserbündel
9.1 Einzelfaser
10 Faserstecker
11 Gehäuse
12 Gehäusewand
13 Ablenkvorrichtung
14 Abbildungsoptik
15 Wackelplatte
16 AR-beschichtetes optisches Element
17 Steuereinheit
18 Faserbuchse
19 Mikrolinsenarray
OA optische Achse

Claims

Patentansprüche
1. Detektorbaugruppe (2) umfassend
einen Lichtmanager (3.1), der zur räumlichen Verteilung und/oder spektralen Aufspaltung von Detektionslicht (4) und zur gerichteten Lenkung des Detektionslichts (4) auf wenigstens einen Fasereingang (5m) einer lichtleitenden Faser (5) ausgebildet ist,
und
einen Detektor (8) zur Erfassung von Detektionslicht (4) und/oder spektralen Anteilen des
Detektionslichts (4) an einem Faserausgang (50Ut) der lichtleitenden Faser (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein weiterer Lichtmanager (3.2) vorhanden ist, der über wenigstens eine weitere lichtleitende Faser (6, 7) mit dem Detektor (8) derart verbunden ist, dass durch den weiteren Lichtmanager (3.2) Detektionslicht (4) und/oder spektrale Anteile des Detektionslichts (4) auf den Detektor (8) gerichtet beziehungsweise richtbar sind.
2. Detektorbaugruppe (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (8) ein Mehrkanaldetektor ist.
3. Detektorbaugruppe (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitenden Fasern (5, 6, 7) jeweils als Faserbündel (9) von Einzelfasern (9.1) ausgebildet sind.
4. Detektorbaugruppe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leichtleitenden Fasern (5, 6, 7) mit dem Detektor (8) unlösbar verbunden sind.
5. Detektorbaugruppe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die leichtleitenden Fasern (5, 6, 7) mit dem Detektor (8) mittels eines Fasersteckers (10) verbunden sind.
6. Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leichtleitenden Fasern(5, 6, 7) mit dem Lichtmanager (3.1) und/oder mit dem weiteren
Lichtmanager (3.2) mittels eines Fasersteckers (10) verbunden sind.
7. Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (8) in einem Gehäuse (11) angeordnet ist,
an dem Gehäuse (11) Eingänge für die lichtleitenden Fasern (5, 6, 7) vorhanden sind und
zwischen den Faserausgängen (50Ut, 60Ut, 70Ut) der lichtleitenden Fasern(5, 6, 7) und dem Detektor eine steuerbare Ablenkvorrichtung (13) vorhanden ist, die zur gesteuerten Zuordnung von Strahlwegen der lichtleitenden Fasern (5, 6, 7) zu wenigstens einem Kanal des Detektors (8) ausgebildet ist.
8. Detektorbaugruppe (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung (13) einen steuerbarer Schwenkspiegel aufweist.
9. Detektorbaugruppe (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strahlweg zwischen der Ablenkvorrichtung (13) und dem Detektor (8) eine Abbildungsoptik (14) und/oder eine Wackelplatte (15) angeordnet ist beziehungsweise angeordnet sind.
10. Detektorbaugruppe (2) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den lichtleitenden Fasern (5, 6, 7) detektorseitig jeweils ein eine Antireflexbeschichtung aufweisendes optisches Element (16) nachgeordnet ist.
11. Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeii dass die lichtleitenden Fasern (5, 6, 7) jeweils als ein Faserbündel (9) von Einzelfasern (9.1) ausgebildet sind, deren jeweiligen Fasereingänge (5m, 6m, 7m) eine lineare oder hexagonale
Anordnung der Einzelfasern (9.1) aufweisen.
12. Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserausgänge (50Ut, 60Ut, 70Ut) der als Faserbündel (9) ausgebildeten lichtleitenden
Fasern (5, 6, 7) eine lineare Anordnung der Einzelfasern (9.1) aufweisen.
13. Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Fasereingänge (5m, 6m, 7m) der als Faserbündel (9) ausgebildeten lichtleitenden Fasern (5, 6, 7) eine nichtäquidistante lineare Anordnung der Einzelfasern (9.1) und der korrespondierende Faserausgang (50Ut, 60Ut, 70Ut) der betreffenden Faser (5, 6, 7) eine äquidistant- lineare Anordnung der Einzelfasern (9.1) aufweist.
14. Mikroskop (1) mit einer Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Anordnung mindestens zweier Mikroskope (1) mit einer gemeinsamen Detektorbaugruppe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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