WO2019224146A1 - Optische anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes verfahren und spektroskopisches bildgebendes verfahren - Google Patents

Optische anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes verfahren und spektroskopisches bildgebendes verfahren Download PDF

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Gregor Matz
Bernhard Messerschmidt
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Definitions

  • the application relates to an optical arrangement for a spectroscopic imaging method. Furthermore, the application relates to a spectroscopic imaging method in which the optical arrangement is used.
  • the optical arrangement can be used in particular for a
  • CARS coherent anti-Stokes Raman scattering
  • SRS stimulated Raman scattering
  • Illuminating light of two different wavelengths, the pump and Stokes wavelength are passed through the same optical fiber to the sample.
  • the problem may arise that the
  • Short-pass filter or bandpass filter to put in the beam path, which is optically opaque to the non-resonant ground and passes only the pump and Stokes wavelength to the sample.
  • the CARS signal from the sample can not be collected by the same beam path from the sample to the fiber, which requires a second beam path for the collection of the sample signal with the anti-Stokes wavelength and thus the
  • the invention is in one aspect the object of an optical arrangement for a spectroscopic
  • the optical arrangement for a spectroscopic imaging method comprises a multicore fiber which has at least one first fiber core for guiding a first illumination light and a second fiber core for guiding a second illumination light.
  • the fiber is designed in particular as a double-core fiber and can thus advantageously simultaneously guide the first illumination light and the second illumination light, the first illumination light and the second illumination light
  • Illumination light in particular have different wavelengths.
  • the fiber cores preferably have different diameters and / or different materials. In this way, the Singlemodmaschine and at the same time a good light guide for each wavelength can be ensured.
  • the multi-core fiber has one according to an embodiment of the optical arrangement
  • Fiber scanner for the deflection of the multi-core fiber.
  • Fiber scanner can be designed for example as a piezo scanner. According to an alternative embodiment follows the
  • the mirror scanner can be designed in particular as a MEMS scanner. Through the fiber scanner or the mirror scanner, a time-dependent beam deflection is realized, which allows the imaging.
  • optical arrangement comprises a
  • wavelength-dispersive beam combining element configured to spatially and angularly confine the first illuminating light and the second illuminating light in an object space overlap.
  • the optical arrangement can be part of a microscopic arrangement, in particular the
  • optical arrangement be integrated into an endoscopic probe that is part of a fiber optic endomicroscope.
  • the spectroscopic imaging method for which the optical arrangement is provided may be in particular CARS spectroscopy or SRS spectroscopy.
  • the method two light pulses of the first illumination light and the second illumination light having different wavelengths are simultaneously superimposed on the same location of a sample in the object space.
  • the first fiber core in particular, the first
  • the second illumination light of the Stokes wavelength By separately guiding the pump wavelength and the Stokes wavelength in the two fiber cores, the undesirable four-wave mixing process becomes sufficient
  • Lighting light are in particular of a
  • Vibration vibration of the sample tuned that he coherently drives them and leads to the emission of a third wavelength, the anti-Stokes wavelength, for the
  • wavelength-selective beam combining element between the fiber scanner or the mirror scanner and the object space arranged.
  • the first illumination light and the second illumination light are deflected to scan the object space before passing through the wavelength-selective
  • Beam union element such as a grid or a prism
  • the first illumination light and the second illumination light are deflected by the fiber scanner or the mirror scanner in particular in the same way, wherein the following wavelength-selective
  • Beam union element is advantageously unmoved.
  • a collimating lens is disposed between the fiber scanner or the mirror scanner and the wavelength-selective beam combining element.
  • the collimating lens may be a one-piece or multi-part lens.
  • the collimating lens comprises a gradient index lens (GRIN lens).
  • Lighting light by means of the wavelength-selective Beam unification element it is advantageous if an at least approximate collimation of the illumination lights of both wavelengths before the wavelength-selective
  • Beam union element takes place. From a local
  • an angular offset can be generated.
  • the wavelength-selective beam combination element is advantageously located in the Fourier plane of the imaging optics behind the fiber scanner or mirror scanner, that is, in particular behind the collimating lens.
  • the optical arrangement described here allows a very good diffraction-limited imaging quality for the CARS imaging over a comparatively large field of view based on the overall diameter of the optical arrangement.
  • the multi-core fiber contains a light-conducting jacket for guiding a coming out of the object space
  • Refractive index has as the photoconductive sheath.
  • the multi-core fiber not only the
  • Illumination light in the direction of the object space but advantageously also the object light to be detected in
  • the multi-core fiber has an inner jacket, in which the fiber cores are arranged, wherein the inner jacket is surrounded by the photoconductive jacket.
  • the inner jacket advantageously has a lower refractive index than that
  • Fiber cores and a lower refractive index than the photoconductive sheath on Fiber cores and a lower refractive index than the photoconductive sheath on.
  • a single-mode light-conducting property of the two fiber cores can be achieved by the inner jacket.
  • the inner coat can be
  • the light-conducting in particular be doped with fluorine.
  • Sheath is arranged and has a higher refractive index can be used efficiently for collecting the object light.
  • the fiber cores of the multi-core fiber are preferably made
  • the inner cladding and outer cladding of the multicore fiber may be doped with a dopant
  • the photoconductive jacket preferably comprises pure quartz glass or, for increasing the refractive index, is doped with a dopant suitable thereto, e.g. Doped germanium oxide.
  • the multicore fiber is a polarization-maintaining fiber.
  • the multicore fiber may in particular contain voltage-generating elements which generate a permanent voltage by generating a permanent voltage
  • voltage-generating elements may include
  • the fiber cores are arranged asymmetrically in the multi-core fiber.
  • the fiber cores in this embodiment are arranged asymmetrically to the center of the multi-core fiber.
  • the fiber cores may have different distances from the center of the multi-core fiber.
  • the fiber cores may be arranged one behind the other in the same radial direction as viewed from the center of the multi-core fiber. Depending on how strong this is
  • Illuminating light differs, the object light is deflected by the wavelength-dispersive beam combination element, so that it is not centric on the
  • the collection efficiency of the fiber for the object light can be impaired.
  • the wavelength dispersive beam combining element of the optical arrangement may have various configurations
  • the beam combination element can in particular be a diffraction grating, for example a
  • Reflection diffraction grating or transmission diffraction grating In one embodiment, this is
  • Beam unification element a reflection diffraction grating, so that the optical axis is angled to the object space.
  • the beam combining element may comprise at least one prism or grating prism (GRISM), wherein the
  • Grid prism is a combination of a diffraction grating and a prism.
  • the beam combining element is a multiple prism, the optical axis preferably not changing its direction. It is also possible that the beam combining element a Prism or a multiple prism is and changes the direction of the optical axis in the direction of the object space targeted.
  • the wavelength dispersive beam combining element may be disposed between the fiber scanner or mirror scanner and the object space.
  • Wavelength dispersive beam combining element between the multi-core fiber and the mirror scanner to be arranged Wavelength dispersive beam combining element between the multi-core fiber and the mirror scanner to be arranged.
  • the optical arrangement may be in addition to those hitherto
  • the optical assembly includes
  • the fiber scanner a gradient index lens (GRIN lens), the wavelength-sensitive deflecting element and a front lens group facing the object space, the
  • the optical arrangement includes a spherical achromat, a biconvex lens and a plano-convex lens.
  • the optical arrangement includes a
  • a GRIN lens a deflection prism, a spherical meniscus lens, a spherical achromatic lens, the wavelength-sensitive deflection element and a
  • Front lens group for example, a spherical lens group
  • Achromat, a biconvex lens and a plano-convex lens has.
  • the numerical aperture of the multicore fiber is the numerical aperture of the multicore fiber.
  • the numerical aperture of the optical arrangement to the object space is preferably between 0.2 and 1.1.
  • the optical arrangement has a diameter of less than 5 mm.
  • the small diameter is made possible in particular by the fact that the optical arrangement between the multi-core fiber and the object space only one beam path for the
  • the invention furthermore relates to an endoscopic probe which contains the optical arrangement.
  • Endoscopic probe may be part of a fiber optic endomicroscope, in particular the fiber optic
  • Probe an illumination light source for generating the first and second illumination light and an evaluation unit.
  • Illumination light and the second illumination light are spatially superimposed by a wavelength-dispersive beam combination element in an object space. That from the
  • Object space coming object light is guided in a light-conducting jacket of the multi-core fiber in the direction of an evaluation.
  • the multi-core fiber is advantageously integrated into a fiber scanner which moves the fiber perpendicular to the fiber
  • Discharges exit direction of the light, or the multicore fiber follows a mirror scanner, wherein the object space is scanned by the movement of the fiber scanner or the mirror scanner.
  • the multi-core fiber and the object space advantageously only a single optical Beam path formed in which the first and second
  • Illumination light are guided in the direction of the object space, and in which the object light in the opposite direction to
  • the spectroscopic imaging method may be CARS spectroscopy or SRS spectroscopy, wherein the first illumination light has the pump wavelength and the second illumination light has the Stokes wavelength.
  • 1A is a schematic representation of a cross section through a first example of the multi-core fiber
  • Figure 1B is a schematic diagram of the
  • Figure IC is a schematic diagram of the
  • Figure ID is a schematic representation of a cross section through another example of the multi-core fiber
  • Figures 2 to 10 are each a schematic representation of a cross section through an example of the optical arrangement.
  • optical arrangement and the method according to the principle proposed here are based in particular on
  • FIG. 1A An example of a multi-core fiber 7 is shown in FIG. 1A.
  • FIG. 1B schematically shows the course of the refractive index n over the cross section of the multicore fiber in the direction x, which is shown in FIG. 1A.
  • the multi-core fiber 7 has two fiber cores 1, 2.
  • the first fiber core 1 carries a first illumination light, in particular the light of the pump wavelength for CARS spectroscopy or SRS spectroscopy.
  • the second fiber core 2 carries a second illumination light having a wavelength different from the wavelength of the first illumination light, in particular the light of the Stokes wavelength for CARS spectroscopy or SRS spectroscopy.
  • Both fiber cores 1, 2 preferably have different diameters or materials in order to ensure singlemodidity and, at the same time, good light guidance for the respective wavelength.
  • the fiber cores 1, 2 are made of undoped quartz glass, this reduces unwanted multiphoton intrinsic fluorescence in the fiber and thus ensures better contrast, for example, for multiphoton fluorescence microscopy.
  • the photoconductive jacket 4 can be efficiently used for integrally collecting the object light, for example the CARS, SHG or fluorescence signal of a sample, which is generated in a non-linear imaging process.
  • the photoconductive jacket 4 is surrounded by an outer jacket 5, which has a lower refractive index than the
  • the multi-core fiber 7 is preferably one
  • a polarization maintaining fiber is advantageous for a nonlinear imaging process because the use of polarized light minimizes the required peak intensity and thus reduces damage to the object to be examined.
  • polarization-maintaining property of the multi-core fiber 7 can in particular by the insertion of voltage-generating Elements 6 can be achieved, which is an asymmetric
  • Figure IC shows the refractive index profile in one
  • Cloak 3 The light pipe in the fiber cores 1, 2 is realized by the higher refractive index with respect to the photoconductive jacket 4, which is realized for example with the aid of a dopant such as germanium.
  • Multi-core fiber 7 shown.
  • the two fiber cores 1, 2 are arranged asymmetrically in the multi-core fiber 7, in particular eccentrically to the photoconductive
  • Beam union element 12 is deflected so that it does not hit the fiber end face centric.
  • spectroscopic imaging method is shown in FIG.
  • the spectroscopic imaging method for example, the light of a
  • Multi-core fiber 7 coupled.
  • the multi-core fiber 7 emits the light of the two wavelengths with a certain NA and a spatial offset corresponding to the distance between the first fiber core 1 and the second fiber core 2.
  • a subsequent collimating lens 11 leads to a
  • Beam union element 12 is spatially and angularly superimposed.
  • a subsequent front lens group 13 now focuses the beams of the illumination light with a sufficiently high NA in the object space 14 to those for the
  • Object space generated to be detected object light can
  • the object light is returned in the optical arrangement on the same beam path and integrallyassemblingsamme11 of the photoconductive jacket of the multi-core fiber 7.
  • the distal end of multicore fiber 7 is provided with a fiber scanner (not shown) in the example of Figure 2 to deflect the multicore fiber.
  • a fiber scanner (not shown) in the example of Figure 2 to deflect the multicore fiber.
  • the object space 14 is scanned in accordance with the magnification of the optical arrangement.
  • coincident movement of the photoconductive jacket of the multi-core fiber 7 it functions as a quasi-confocal optical detector for the signal emitted by the sample in volume around the excitation spot.
  • the photoconductive sheath 4 of the multi-core fiber 7 is designed, the confocality can be influenced. For a high
  • the object light of the sample to be detected differs in wavelength from the wavelengths of the illumination light guided in the fiber cores 1, 2, the object light is also deflected by the wavelength-dispersive beam combination element 12 so that it does not strike the fiber end face centrically. Thereby, the collection efficiency of the multi-core fiber 7 for the object light can be impaired. Therefore, it may be advantageous, the area of the two fiber cores 1 and 2 eccentrically to
  • a photomultiplier tube For imaging, for example, a photomultiplier tube (PMT) or a spectrometer, which in coordination with the
  • Stimulation signal is triggered at the proximal end of the
  • Multi-core fiber 7 can be used as a detector of the light emitted by the sample. It is advantageous that no second beam path in the optical arrangement is necessary to collect the object light, and also no cleaning filter in the optical arrangement must be used, as the
  • FIG. 7 A second example of the optical arrangement is shown in FIG.
  • the multicore fiber 7 follows a collimation unit 8 and a mirror scanner 9.
  • the mirror scanner 9 is a MEMS mirror scanner.
  • Wavelength-dispersive beam combination element 12 and the front lens group 13 is passed into the object space 14.
  • the first and second illumination light in particular the light of
  • Beam union element 12 spatially and angularly united.
  • the beam combining element 12 may be a linear diffraction grating.
  • the position of the beam combining element 12 can be chosen differently in this design of the optical arrangement since there are two Fourier planes in this arrangement.
  • the beam combination element 12 can be arranged correspondingly either directly after the collimation unit 8 or after the further collimation unit 11.
  • FIG. 4 shows a further example of the optical arrangement.
  • the collimating unit 11 is designed as a GRIN lens and collimates in the optical arrangement the illumination light, which emerges as a fiber scanner
  • Beam combining element 12 which is for example a linear transmission diffraction grating and a
  • Wavelength-dependent diffraction angle generated spatially and angularly superimposed.
  • chromatic and other aberrations over the field-correcting front lens group 13, which consists of, for example, an achromatic lens and two spherical singlet lenses, focuses the light with a numerical aperture of, for example, about 0.54 into the object space 14 in which it is focused the spectroscopic imaging,
  • non-linear CARS process comes on a sample.
  • an NA of at least 0.15 is advantageous in order to ensure in particular the condition of momentum conservation.
  • the generated signal is subsequently returned to the same path
  • Beam union element 12 can be found:
  • grating period g (f * dl) / a.
  • the grating period g is given in ym per line, f is the focal length of the collimation unit 11,
  • Dl corresponds to the wavelength difference between the pump and Stokes wavelengths
  • a corresponds to the distance between the centers of the two fiber cores 1, 2.
  • FIG. 5 shows a further example of the optical arrangement in which the wavelength-dispersive
  • Beam union element 12 is realized by a two-component prism.
  • the prism consists of a crown and a flint glass and is designed to produce the required wavelength-selective angular offset while maintaining the direction of the optical axis.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show further examples of the optical arrangement, which are essentially analogous to those of FIGS.
  • the multicore fiber 7 is fastened to a GRIN lens functioning as a collimation unit 8.
  • a prism By means of a prism, a 90 ° deflected, collimated beam of the
  • Illumination light is scanned by a MEMS mirror scanner 9 and focused into an intermediate image by a lens group 10 that corrects for chromatic aberration.
  • a lens group 10 that corrects for chromatic aberration.
  • FIG. shows the possibility of an angled measurement using a prism as Wavelength dispersive beam combining element 12.
  • beam deflection by the prism is 35 degrees.
  • the collimating unit 11 in this example is a lens group consisting of a GRIN lens and a doublet lens, and the front lens group 13 is formed of two singlet lenses.
  • the collimating unit 11 may be a lens group consisting of a GRIN lens and a lens
  • Doublet lens, and the front lens group 13 is formed of two singlet lenses.
  • the wavelength dispersive beam combining element 12 in this example is a linear reflection diffraction grating disposed at 45 degrees to the optical axis and, for example, one
  • Fig. 10 is an example of the optical arrangement
  • the beam combining element 12 is a grating prism (GRISM) consisting of a grating prism
  • Wavelength dispersive beam combining element 12 as in the examples of Figures 4 and 6, or a double prism 12, as in the examples of Figures 5 and 7, or by the combination of a grid and a prism as in the example of Figure 10 possible.
  • the optical axis may also be advantageous for the optical axis to be tilted within the optical arrangement, for example in the case of an endoscopic probe which is laterally oriented
  • wavelength-dispersive beam combining element 12 as
  • Reflection diffraction grating as in the example of Figure 9, to realize, or by a deflection prism, as in the example of Figure 8, to realize.

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Abstract

Es wird eine optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahrenbeschrieben, umfassend eine Mehrkern-Faser (7), die mindestens einen ersten Faserkern (1) zur Führung eines ersten Beleuchtungslichts und einen zweiten Faserkern (2) zur Führung eines zweiten Beleuchtungslichts aufweist, undein wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement (12), das dazu eingerichtet ist, das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht in einem Objektraum (14) räumlich zu überlagern. Weiterhin wir ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren mit der optischen Anordnung beschrieben.

Description

Beschreibung
Optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren und spektroskopisches bildgebendes Verfahren
Die Anmeldung betrifft eine optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren, bei dem die optische Anordnung verwendet wird.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 112 253.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die optische Anordnung kann insbesondere für eine
endoskopische Sonde vorgesehen sein, welche für die
spektroskopische Bildgebung an voluminösen Proben, z. B.
lebendem biologischem Gewebe, ausgelegt ist. Als bildgebendes Verfahren kann insbesondere ein nichtlinearer,
spektroskopischer Prozess verwendet werden, im speziellen kohärente Anti-Stokes Raman-Streuung (CARS, Coherent Anti- Stokes Raman Scattering) oder stimulierte Raman-Streuung (SRS, stimulated Raman Scattering) . Um diese Modalität zu ermöglichen, müssen zwei Lichtpulse hoher Spitzenintensität und verschiedener Frequenz zeitgleich an demselben Ort in der Probe überlagert werden.
Aus der Druckschrift US 7,414,729 B2 ist eine endoskopische Sonde für CARS-Spektroskopie bekannt, bei der das
Beleuchtungslicht mit zwei verschiedenen Wellenlängen, der Pump- und Stokes-Wellenlänge, durch dieselbe optische Faser zur Probe geführt werden. Bei der Führung der Pump- und Stokes-Wellenlänge in einer einzigen Faser kann das Problem auftreten, dass die
zeitgleiche Überlagerung der hoch-intensiven Lichtpulse zu einem nichtlinearen Vierwellenmischprozess führt, bei welchem Licht erzeugt wird, welches die gleiche optische Frequenz wie das zu messende Signal der Probe besitzt. Erreicht dieser intensitätsreiche, nichtresonante Untergrund die zu
untersuchende Probe, ist eine Unterscheidbarkeit zu dem zu messenden, intensitätsarmen Signal der Probe nicht mehr möglich. Daher ist es zwingend erforderlich, einen
Kurzpassfilter oder Bandpassfilter in den Strahlengang zu setzen, welcher optisch undurchlässig für den nichtresonanten Untergrund ist und nur die Pump- und Stokes-Wellenlänge zur Probe leitet. Einher geht hiermit jedoch, dass auch das CARS- Signal von der Probe nicht durch den gleichen Strahlengang von der Probe zur Faser gesammelt werden kann, was einen zweiten Strahlengang zur Kollektion des Probensignals mit der Anti-Stokes-Wellenlänge erfordert und somit der
Miniaturisierung des Systems Grenzen setzt.
Der Erfindung liegt gemäß einem Aspekt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung für ein spektroskopisches
bildgebendes Verfahren anzugeben, welche die Problematik des Auftretens eines nichtlinearen Vierwellenmischprozesses vermeidet und gleichzeitig einen kompakten Aufbau aufweist. Weiterhin soll ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren angegeben werden, das von der optischen Anordnung Gebrauch macht .
Diese Aufgaben werden durch eine optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren und ein
spektroskopisches bildgebendes Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren eine Mehrkern-Faser, die mindestens einen ersten Faserkern zur Führung eines ersten Beleuchtungslichts und einen zweiten Faserkern zur Führung eines zweiten Beleuchtungslichts aufweist. Die Faser ist insbesondere als Doppelkernfaser ausgebildet und kann somit vorteilhaft gleichzeitig das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht führen, wobei das erste Beleuchtungslicht und das zweite
Beleuchtungslicht insbesondere verschiedene Wellenlängen aufweisen. Die Faserkerne weisen vorzugsweise verschiedene Durchmesser und/oder verschiedene Materialien auf. Auf diese Weise kann die Singlemodigkeit und gleichzeitig eine gute Lichtführung für die jeweilige Wellenlänge gewährleistet werden .
Zum Abtasten des Objektraums weist die Mehrkern-Faser gemäß einer Ausgestaltung der optischen Anordnung einen
Faserscanner zur Auslenkung der Mehrkern-Faser auf. Der
Faserscanner kann beispielsweise als Piezo-Scanner ausgeführt sein. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung folgt der
Mehrkern-Faser ein Spiegelscanner nach. Der Spiegelscanner kann insbesondere als MEMS-Scanner ausgeführt sein. Durch den Faserscanner oder den Spiegelscanner wird eine zeitabhängige Strahlablenkung realisiert, welche die Bildgebung ermöglicht.
Weiterhin umfasst die optische Anordnung ein
wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement, das dazu eingerichtet ist, das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht in einem Objektraum räumlich und angular zu überlagern. Die optische Anordnung kann Bestandteil einer mikroskopischen Anordnung sein, insbesondere kann die
optische Anordnung in eine endoskopische Sonde integriert sein, die Bestandteil eines faseroptischen Endomikroskops ist .
Dadurch, dass das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht in der optischen Anordnung durch
verschiedene Faserkerne der Mehrkern-Faser geführt werden, wird vorteilhaft ein nichtlinearer Vierwellen-Mischprozess , der bei der Lichtführung beider Wellenlänge in der gleichen Faser auftreten kann, verhindert. Gleichzeitig ist
vorteilhaft kein weiterer Strahlengang in einer zweiten Faser erforderlich, sodass die optische Anordnung einen besonders kompakten Aufbau aufweisen kann.
Das spektroskopisch bildgebende Verfahren, für das die optische Anordnung vorgesehen ist, kann insbesondere CARS- Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie sein. Bei dem Verfahren werden zwei Lichtpulse des ersten Beleuchtungslichts und des zweiten Beleuchtungslichts mit verschiedenen Wellenlängen zeitgleich an demselben Ort einer Probe in dem Objektraum überlagert .
In dem ersten Faserkern wird insbesondere das erste
Beleuchtungslicht der Pumpwellenlänge und in dem zweiten Faserkern das zweite Beleuchtungslicht der Stokes-Wellenlänge geführt. Durch die separate Führung der Pumpwellenlänge und der Stokes-Wellenlänge in den beiden Faserkernen wird der unerwünschte Vierwellen-Mischprozess ausreichend
unterdrückt. Das erste Beleuchtungslicht und das zweite
Beleuchtungslicht werden insbesondere von einer
Laserlichtquelle erzeugt und in ein vom Objektraum abgewandtes Ende der Mehrkern-Faser eingekoppelt. Der
Frequenzunterschied der beiden Wellenlängen wird vorteilhaft so auf eine nachzuweisende molekülintrinsische
Vibrationsschwingung der Probe abgestimmt, dass er diese kohärent treibt und zur Emission einer dritten Wellenlänge, der Anti-Stokes-Wellenlänge führt, die für die
spektroskopische Bildgebung genutzt wird. Weiterhin erlaubt das vorgestellte Prinzip die simultane Bildgebung
zusätzlicher nichtlinearer Bildgebungsprozesse wie die
Höherharmonischen-Mikroskopie sowie Multiphotonenfluoreszenz- Mikroskopie .
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das
wellenlängenselektive Strahlvereinigungselement zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner und dem Objektraum angeordnet. In diesem Fall werden das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht zum Abtasten des Objektraums abgelenkt, bevor sie durch das wellenlängenselektive
Strahlvereinigungselement, beispielsweise ein Gitter oder ein Prisma, vereinigt werden. Das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht werden durch den Faserscanner oder den Spiegelscanner insbesondere in gleicher Weise abgelenkt, wobei das nachfolgendende wellenlängenselektive
Strahlvereinigungselement vorteilhaft unbewegt ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist eine Kollimationslinse zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner und dem wellenlängenselektiven Strahlvereinigungselement angeordnet. Die Kollimationslinse kann eine einteilige oder mehrteilige Linse sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kollimationslinse eine Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse) .
Für die Strahlvereinigung des ersten und zweiten
Beleuchtungslichts mittels des wellenlängenselektiven Strahlvereinigungselements ist es vorteilhaft, wenn eine zumindest annähernde Kollimation der Beleuchtungslichter beider Wellenlängen vor dem wellenlängenselektiven
Strahlvereinigungselement erfolgt. Aus einem örtlichen
Versatz des ersten und zweiten Beleuchtungslichts beim
Austritt aus der Mehrkern-Faser kann beispielsweise mittels der Kollimationslinse ein Winkelversatz erzeugt werden. Das wellenlängenselektive Strahlvereinigungselement befindet sich vorteilhaft in der Fourierebene der Abbildungsoptik hinter dem Faserscanner oder Spiegelscanner, also insbesondere hinter der Kollimationslinse .
Die hier beschriebene optische Anordnung ermöglicht eine sehr gute beugungsbegrenzte Abbildungsqualität für die CARS- Bildgebung über ein vergleichsweise großes Bildfeld bezogen auf den Gesamtdurchmesser der optischen Anordnung.
Insbesondere werden Abbildungsfehler höherer Ordnung, die das nutzbare Bildfeld einschränken könnten, durch die optische Anordnung weitgehend vermieden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der optischen
Anordnung enthält die Mehrkern-Faser einen lichtleitenden Mantel zur Führung eines aus dem Objektraum kommenden
Obj ektlichts , wobei der lichtleitende Mantel von einem äußeren Mantel umgeben ist, der einen geringeren
Brechungsindex als der lichtleitende Mantel aufweist. In der Mehrkern-Faser wird insbesondere nicht nur das
Beleuchtungslicht in Richtung des Objektraums, sondern vorteilhaft auch das zu detektierende Objektlicht in
entgegengesetzter Richtung zu einer Auswerteeinheit geführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Mehrkern- Faser einen inneren Mantel auf, in dem die Faserkerne angeordnet sind, wobei der innere Mantel von dem lichtleitenden Mantel umgeben ist. Der innere Mantel weist vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die
Faserkerne und einen geringeren Brechungsindex als der lichtleitende Mantel auf. Durch den inneren Mantel kann insbesondere eine Single-Mode-Lichtleiteigenschaft der beiden Faserkerne erzielt werden. Der innere Mantel kann
insbesondere mit Fluor dotiert sein. Der lichtleitende
Mantel, der zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren
Mantel angeordnet ist und einen höheren Brechungsindex aufweist, kann effizient zum Sammeln des Objektlichts genutzt werden .
Die Faserkerne der Mehrkern-Faser sind vorzugsweise aus
Quarzglas gebildet. Der innere Mantel und der äußere Mantel der Mehrkern-Faser können mit einem Dotierstoff wie
beispielsweise Fluor dotiert sein, um die Brechzahl zu erniedrigen. Der lichtleitende Mantel weist vorzugsweise reines Quarzglas auf oder ist zur Erhöhung der Brechzahl mit einem dazu geeigneten Dotierstoff wie z.B. Germaniumoxid dotiert .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Mehrkern- Faser eine polarisationserhaltende Faser. Zur Erzielung der polarisationserhaltenen Eigenschaft kann die Mehrkern-Faser insbesondere spannungserzeugende Elemente enthalten, welche durch Erzeugen einer permanenten Spannung eine
doppelbrechende Eigenschaft bewirken. Die
spannungserzeugenden Elemente können beispielsweise
stabförmig sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Mehrkern-Faser sind die Faserkerne asymmetrisch in der Mehrkern-Faser angeordnet. Insbesondere sind die Faserkerne bei dieser Ausgestaltung asymmetrisch zum Mittelpunkt der Mehrkern-Faser angeordnet. Beispielsweise können die Faserkerne verschiedene Abstände vom Mittelpunkt der Mehrkern-Faser aufweisen. Weiterhin können die Faserkerne vom Mittelpunkt der Mehrkern-Faser aus gesehen in der gleichen radialen Richtung hintereinander angeordnet sein. Je nachdem, wie stark sich das zu
detektierende Objektlicht von der Probe in der Wellenlänge von den Wellenlängen des in den Faserkernen geführten
Beleuchtungslichts unterscheidet, wird auch das Objektlicht durch das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement abgelenkt, so dass es nicht zentrisch auf die
Faserstirnfläche trifft. Dadurch kann die Sammeleffizienz der Faser für das Objektlicht beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Faserkerne asymmetrisch in der Mehrkern-Faser anzuordnen, insbesondere außermittig zum lichtleitenden Mantel.
Das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement der optischen Anordnung kann verschiedene Ausgestaltungen
aufweisen. Das Strahlvereinigungselement kann insbesondere ein Beugungsgitter, beispielsweise ein
Reflexionsbeugungsgitter oder Transmissionsbeugungsgitter sein. Bei einer Ausgestaltung ist das
Strahlvereinigungselement ein Reflexionsbeugungsgitter, so dass die optische Achse zum Objektraum abgewinkelt ist.
Alternativ kann das Strahlvereinigungselement mindestens ein Prisma oder Gitterprisma (GRISM) aufweisen, wobei das
Gitterprisma eine Kombination aus einem Beugungsgitter und einem Prisma ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das Strahlvereinigungselement ein Mehrfach-Prisma, wobei die optische Achse ihre Richtung vorzugsweise nicht ändert. Es ist auch möglich, dass das Strahlvereinigungselement ein Prisma oder ein Mehrfach-Prisma ist und sich die Richtung der optischen Achse in Richtung des Objektraums gezielt ändert. Das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement kann zum Beispiel zwischen dem Faserscanner oder Spiegelscanner und dem Objektraum angeordnet sein. Alternativ kann das
wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement zwischen der Mehrkernfaser und dem Spiegelscanner angeordnet sein.
Die optische Anordnung kann zusätzlich zu den bisher
beschriebenen Komponenten weitere Elemente enthalten. Bei einer Ausgestaltung enthält die optische Anordnung
beispielsweise den Faserscanner, eine Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse) , das wellenlängensensitive Ablenkelement sowie eine dem Objektraum zugewandte Frontlinsengruppe, die
beispielsweise einen sphärischen Achromat, eine Bikonvex- Linse und eine Plankonvex-Linse aufweist. Bei einer anderen Ausgestaltung enthält die optische Anordnung einen
Spiegelscanner, eine GRIN-Linse, ein Ablenkprisma, eine sphärischen Meniskuslinse, einen sphärischen Achromaten, das wellenlängensensitive Ablenkelement und eine
Frontlinsengruppe, die beispielsweise einen sphärischen
Achromat, eine Bikonvex-Linse und eine Plankonvex-Linse aufweist .
Die numerische Apertur der Mehrkern-Faser beträgt
vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,4. Die numerische Apertur der optischen Anordnung zum Objektraum beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,1.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen Durchmesser von weniger als 5 mm auf. Der geringe Durchmesser wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die optische Anordnung zwischen der Mehrkern-Faser und dem Objektraum nur einen Strahlengang für das
Beleuchtungslicht und das zu detektierende Objektlicht aufweist .
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine endoskopische Sonde, welche die optische Anordnung enthält. Die
endoskopische Sonde kann Bestandteil eines faseroptischen Endomikroskops sein, das insbesondere die faseroptische
Sonde, eine Beleuchtungslichtquelle zur Erzeugung des ersten und zweiten Beleuchtungslichts und eine Auswerteeinheit aufweist .
Bei dem spektroskopischen bildgebenden Verfahren gemäß dem hierin vorgeschlagenen Prinzip wird ein erstes
Beleuchtungslicht in einem ersten Faserkern einer Mehrkern- Faser und ein zweites Beleuchtungslicht in einem zweiten Faserkern der Mehrkern-Faser geführt, wobei das erste
Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht
verschiedene Wellenlängen aufweisen. Das erste
Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht werden durch ein wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement in einem Objektraum räumlich überlagert. Das aus dem
Objektraum kommende Objektlicht wird in einem lichtleitenden Mantel der Mehrkern-Faser in Richtung einer Auswerteeinheit geführt .
Bei dem Verfahren ist die Mehrkern-Faser vorteilhaft in einen Faserscanner integriert, der die Faser senkrecht zur
Austrittsrichtung des Lichtes auslenkt, oder der Mehrkern- Faser folgt ein Spiegelscanner nach, wobei der Objektraum durch die Bewegung des Faserscanners oder des Spiegelscanners abgetastet wird. Hierbei ist zwischen der Mehrkern-Faser und dem Objektraum vorteilhaft nur ein einziger optischer Strahlengang ausgebildet, in dem das erste und zweite
Beleuchtungslicht in Richtung des Objektraums geführt werden, und in dem das Objektlicht in umgekehrter Richtung zur
Mehrkern-Faser geführt wird. Das spektroskopische bildgebende Verfahren kann insbesondere CARS-Spektroskopie oder SRS- Spektroskopie sein, wobei das erste Beleuchtungslicht die Pumpwellenlänge aufweist und das zweite Beleuchtungslicht die Stokes-Wellenlänge aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung der optischen Anordnung und
umgekehrt .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 10 näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erstes Beispiel der Mehrkern-Faser,
Figur 1B eine schematische grafische Darstellung des
Brechungsindexverlaufs in der Mehrkern-Faser gemäß dem ersten Beispiel ,
Figur IC eine schematische grafische Darstellung des
Brechungsindexverlaufs in einem weiteren Beispiel der
Mehrkern-Faser,
Figur ID eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Beispiel der Mehrkern-Faser, Figuren 2 bis 10 jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beispiel der optischen Anordnung.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
Die optische Anordnung und das Verfahren gemäß dem hier vorgeschlagen Prinzip basieren insbesondere auf der
Verwendung einer Mehrkern-Faser mit mehreren Mänteln, insbesondere einer Zweikern-Doppelmantel-Faser . Ein Beispiel einer Mehrkern-Faser 7 ist in Figur 1A gezeigt. Figur 1B zeigt schematisch den Verlauf des Brechungsindex n über den Querschnitt der Mehrkern-Faser in der Richtung x, welche in Figur 1A gezeigt ist.
Die Mehrkern-Faser 7 besitzt zwei Faserkerne 1, 2. Der erste Faserkern 1 führt ein erstes Beleuchtungslicht, insbesondere das Licht der Pump-Wellenlänge für CARS-Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie . Der zweite Faserkern 2 führt ein zweites Beleuchtungslicht, das eine von der Wellenlänge des ersten Beleuchtungslichts verschiedene Wellenlänge aufweist, insbesondere das Licht der Stokes-Wellenlänge für CARS- Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie.
Vorzugsweise besitzen beide Faserkerne 1, 2 verschiedene Durchmesser oder Materialien, um die Singlemodigkeit und gleichzeitig gute Lichtführung für die jeweilige Wellenlänge zu gewährleisten. Falls die Faserkerne 1, 2 aus undotiertem Quarzglas gefertigt sind, vermindert dies außerdem die ungewünschte Multiphotonen-Eigenfluoreszenz in der Faser und gewährleistet damit einen besseren Kontrast, beispielsweise für die Multiphotonenfluoreszenz-Mikroskopie.
Diese beiden Faserkerne 1, 2 sind vorteilhaft in einen Fluor dotierten inneren Mantel 3 eingebettet, welcher einen
geringeren Brechungsindex besitzt als die beiden Faserkerne 1, 2. Auf diese Weise kann insbesondere eine single-mode Lichtleitungseigenschaft der beiden Faserkerne 1, 2 erzielt werden. Radial außerhalb vom inneren Mantel 3 folgt ein mittlerer Mantel, der bei der optischen Anordnung als lichtleitender Mantel 4 für das zu detektierende Objektlicht fungiert. Der lichtleitende Mantel 4 weist einen höheren Brechungsindex als der innere Mantel 3 auf und ist deshalb lichtleitend . Der lichtleitende Mantel 4 kann effizient zum integralen Sammeln des Obj ektlichts , beispielsweise des CARS-, SHG- oder Fluoreszenzsignals einer Probe genutzt werden, welches bei einem nichtlinearen Bildgebungsprozess erzeugt wird.
Der lichtleitende Mantel 4 ist von einem äußeren Mantel 5 umgeben, der einen geringeren Brechungsindex als der
lichtleitende Mantel 4 aufweist und so die Lichtleitung des erzeugten Objektlichts in dem lichtleitenden Mantel 4 ermöglicht .
Die Mehrkern-Faser 7 ist vorzugsweise eine
polarisationserhaltende Faser. Eine polarisationserhaltende Faser ist für einen nichtlinearen Bildgebungsprozess von Vorteil, da die Verwendung von polarisiertem Licht die geforderte Spitzenintensität minimiert und somit Schädigungen am zu untersuchenden Objekt verringert. Die
polarisationserhaltende Eigenschaft der Mehrkern-Faser 7 kann insbesondere durch das Einfügen von spannungserzeugenden Elementen 6 erreicht werden, welche eine asymmetrische
Lichtleitungseigenschaft der Faserkerne 1, 2 hervorrufen.
Figur IC zeigt den Brechungsindexverlauf in einer
alternativen Ausgestaltung der Mehrkern-Faser. Diese
Ausgestaltung der Mehrkern-Faser enthält keinen inneren
Mantel 3. Die Lichtleitung in den Faserkernen 1, 2 wird durch den höheren Brechungsindex in Bezug auf den lichtleitenden Mantel 4 realisiert, der beispielsweise mit Hilfe eines Dotierstoffs wie zum Beispiel Germanium realisiert wird.
In Figur ID ist eine weitere mögliche Ausgestaltung der
Mehrkern-Faser 7 dargestellt. Bei diesem Beispiel sind die beiden Faserkerne 1, 2 asymmetrisch in der Mehrkern-Faser 7 angeordnet, insbesondere außermittig zum lichtleitenden
Mantel 4. Diese Anordnung der Faserkerne 1, 2 ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zu detektierende Objektlicht durch das wellenlängendispersive
Strahlvereinigungselement 12 so abgelenkt wird, dass es nicht zentrisch auf die Faserstirnfläche trifft.
Ein erstes Beispiel der optischen Anordnung für ein
spektroskopisches bildgebendes Verfahren ist in Figur 2 dargestellt. Bei dem spektroskopischen bildgebenden Verfahren wird beispielsweise das Licht einer als
Beleuchtungslichtquelle dienenden externen Lasereinheit spektral geteilt und separat als erstes Beleuchtungslicht und zweites Beleuchtungslicht in die Faserkerne 1, 2 der
Mehrkern-Faser 7 eingekoppelt. Die Mehrkern-Faser 7 emittiert das Licht der beiden Wellenlängen mit einer bestimmten NA und einem räumlichen Versatz, welcher dem Abstand zwischen dem ersten Faserkern 1 und dem zweiten Faserkern 2 entspricht. Eine nachfolgende Kollimationslinse 11 führt zu einer
annähernden Kollimation des Beleuchtungslichts beider
Wellenlängen. Der örtliche Versatz am Faseraustritt wird hier zu einem wellenlängenspezifischen Winkelversatz, welcher daraufhin von einem lateral wellenlängendispersiven
Strahlvereinigungselement 12 räumlich und angular überlagert wird. Eine darauf folgende Frontlinsengruppe 13 fokussiert nun die Strahlenbündel des Beleuchtungslichts mit einer ausreichend hohen NA im Objektraum 14 um die für die
Bildgebungsprozesse geforderten Phasenanpassungsbedingungen und notwendigen Spitzenintensitäten zu erfüllen. Das im
Objektraum erzeugte zu detektierende Objektlicht kann
insbesondere ein Antistokes-Signal, ein SHG-Signal (Second Harmonie Generation) und/oder ein TPF-Signal (Two-Photon Fluorescence) sein. Das Objektlicht wird in der optischen Anordnung auf dem gleichen Strahlengang zurückgeführt und von dem lichtleitenden Mantel der Mehrkern-Faser 7 integrativ aufgesamme11.
Das distale Ende der Mehrkern-Faser 7 ist bei dem Beispiel der Figur 2 mit einem Faserscanner (nicht dargestellt) versehen, um die Mehrkern-Faser auszulenken. Durch eine laterale Auslenkung der Faserstirnfläche, z. B. durch einen Piezofaserscanner oder ein anderes geeignetes Verfahren, wird der Objektraum 14 entsprechend der Vergrößerung der optischen Anordnung abgetastet. Durch die übereinstimmende Bewegung des lichtleitenden Mantels der Mehrkern-Faser 7 fungiert diese als quasi-konfokaler optischer Detektor für das von der Probe im Volumen um den Anregungsspot emittierte Signal. Je nachdem wie groß und mit welcher numerischen Apertur der
lichtleitende Mantel 4 der Mehrkern-Faser 7 gestaltet ist, kann die Konfokalität beeinflusst werden. Für eine hohe
Sammeleffizienz sollte der mittlere lichtleitende Mantel 4 der Mehrkern-Faser 7 möglichst groß sein, damit auch das Volumen um den Anregungsspot herum, in dem das zu
detektierende Objektlicht gestreut wird, durch den
lichtleitenden Mantel mit erfasst wird.
Je nachdem, wie stark sich das zu detektierende Objektlicht der Probe in der Wellenlänge von den in den Faserkernen 1, 2 geführten Wellenlängen des Beleuchtungslichts unterscheidet, wird auch das Objektlicht durch das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement 12 abgelenkt, so dass es nicht zentrisch auf die Faserstirnfläche trifft. Dadurch kann die Sammeleffizienz der Mehrkern-Faser 7 für das Objektlicht beeinträchtigt werden. Deshalb kann es vorteilhaft sein, den Bereich der beiden Faserkerne 1 und 2 außermittig zum
lichtleitenden Mantel 4 anzuordnen bzw. diesen asymmetrisch zu gestalten, wie beim Beispiel der Mehrkern-Faser 7 gemäß Figur ID. Andererseits werden dadurch der Herstellungsaufwand und im Fall einer Vergrößerung des Querschnitts auch die Steifigkeit der Mehrkern-Faser 7 erhöht, was eine räumliche Vergrößerung und einen erhöhten Energieverbrauch des Scanners nach sich zieht, um die notwendige laterale Auslenkung zur Abtastung des Objektraums 14 zu gewährleisten. Hier ist ein technisch sinnvoller Kompromiss zu finden.
Zur Bildgebung kann beispielsweise ein Photomultiplier (PMT) oder ein Spektrometer, welches in Abstimmung mit dem
Anregungssignal getriggert ist, am proximalen Ende der
Mehrkern-Faser 7 als Detektor des von der Probe emittierten Lichtes verwendet werden. Vorteilhaft ist, dass kein zweiter Strahlengang in der optischen Anordnung notwendig ist, um das Objektlicht zu sammeln, und auch keine Cleaningfilter in der optischen Anordnung verwendet werden müssen, da der
unerwünschte Vierwellenmischprozess innerhalb der Mehrkern- Faser 7 durch die separate Führung des Beleuchtungslichts mit der Stokes-Wellenlänge und des Beleuchtungslichts mit der Pumpwellenlänge ausreichend unterdrückt wird.
Ein zweites Beispiel der optischen Anordnung ist in Figur 3 dargestellt. Bei diesem Beispiel folgen der Mehrkern-Faser 7 eine Kollimationseinheit 8 und ein Spiegelscanner 9 nach. Der Spiegelscanner 9 ist ein MEMS-Spiegelscanner . Eine dem
Spiegelscanner 9 nachfolgende Linse 10 erzeugt ein
Zwischenbild, welches anschließend von einer als weitere Kollimationseinheit 11 fungierenden Linsengruppe, dem
wellenlängendispersiven Strahlvereinigungselement 12 und der Frontlinsengruppe 13 in den Objektraum 14 geleitet wird.
Analog zu dem Beispiel der Figur 2 werden das erste und zweite Beleuchtungslicht, insbesondere das Licht der
Pumpwellenlänge und Stokes-Wellenlänge, von dem
Strahlvereinigungselement 12 räumlich und angular vereint.
Das Strahlvereinigungselement 12 kann beispielsweise ein lineares Beugungsgitter sein.
Die Position des Strahlvereinigungselements 12 kann in diesem Design der optischen Anordnung unterschiedlich gewählt werden, da es zwei Fourierebenen in dieser Anordnung gibt.
Das Strahlvereinigungselement 12 kann entsprechend entweder direkt nach der Kollimationseinheit 8 oder nach der weiteren Kollimationseinheit 11 angeordnet werden.
In Figur 4 ist ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung gezeigt. Verwendet wird in diesem und jedem weiteren Beispiel eine Mehrkern-Faser 7. Bei der Mehrkern-Faser 7 sind die Mittelpunkte der beiden Faserkerne 1, 2 in der gezeigten Ebene beispielsweise 24 ym voneinander entfernt und weisen eine Numerische Apertur für die Pump- und Stokes-Wellenlänge von 0,12 auf. Die Kollimationseinheit 11 ist als GRIN-Linse ausgebildet und kollimiert in der optischen Anordnung das Beleuchtungslicht, welches aus der als Faserscanner
ausgebildeten Mehrkern-Faser tritt. Anschließend wird das Beleuchtungslicht von dem wellenlängendispersiven
Strahlvereinigungselement 12, das beispielsweise ein lineares Transmissionsbeugungsgitter ist und einen
wellenlängenabhängigen Beugungswinkel erzeugt, räumlich und angular überlagert. Hierbei sind die Gitterlinien des
Transmissionsbeugungsgitters orthogonal zum räumlichen
Versatz der Faserkerne 1, 2 angeordnet.
Eine anschließende, chromatische und andere Abbildungsfehler über das Bildfeld korrigierende Frontlinsengruppe 13, die zum Beispiel aus einem Achromaten und zwei sphärischen Singlet- Linsen besteht, fokussiert das Licht mit einer numerischen Apertur von beispielsweise etwa 0,54 in den Objektraum 14, in welchem es zu dem spektroskopischen bildgebenden,
nichtlinearen CARS-Prozess an einer Probe kommt. Dabei ist eine NA von mindestens 0,15 vorteilhaft, um insbesondere die Bedingung der Impulserhaltung zu gewährleisten. Das erzeugte Signal wird nachfolgend auf dem gleichen Weg zurück zur
Mehrkern-Faser 7 geführt und durch den lichtleitenden Mantel 4 aufgesamme11.
Es kann eine Abschätzung für den paraxialen Fall nach
folgender Vorschrift für die Gitterperiode des als
Transmissionsbeugungsgitter ausgebildeten
Strahlvereinigungselements 12 gefunden werden:
g = (f * Dl) / a. Die Gitterperiode g wird in ym pro Linie angegeben, f ist die Fokuslänge der Kollimationseinheit 11,
Dl entspricht der Wellenlängendifferenz zwischen der Pump- und Stokes-Wellenlänge, und a entspricht dem Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Faserkerne 1, 2. In dem
gezeigten Beispiel ist f = 3, 92 mm, Dl = 245 nm und a = 24 ym, woraus sich eine Gitterperiode des
Strahlvereinigungselements 12 von 40 ym pro Linie ergibt.
In Figur 5 ist ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung gezeigt, bei der das wellenlängendispersive
Strahlvereinigungselement 12 durch ein Zweikomponentenprisma realisiert wird. Das Prisma besteht aus einem Krön- und einem Flintglas und ist so gestaltet, dass es den geforderten, wellenlängenselektiven Winkelversatz erzeugt, hingegen die Richtung der optischen Achse beibehalten wird. Die
Funktionsweise der weiteren Komponenten entspricht dem vorherigen Beispiel der Figur 4.
Die Figur 6 und die Figur 7 zeigen weitere Beispiele der optischen Anordnung, die im Wesentlichen analog zu den
Beispielen der Figuren 4 und 5 sind, hingegen unter
Verwendung eines MEMS-Spiegelscanners 9, welcher den
Faserscanner ersetzt. In den Beispielen der Figuren 6 und 7 ist die Mehrkern-Faser 7 an einer als Kollimationseinheit 8 fungierenden GRIN-Linse befestigt. Mittels eines Prismas wird ein um 90° abgelenkter, kollimierter Strahl des
Beleuchtungslichts erzeugt. Dieser Strahl des
Beleuchtungslichts wird durch einen MEMS-Spiegelscanner 9 gescannt und durch eine chromatisch und über das Bildfeld korrigierende Linsengruppe 10 in ein Zwischenbild fokussiert. Hier beginnt ein analoger Aufbau, wie er in den Beispielen der Figuren 5 und 6 beschrieben wurde.
Ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung ist in Figur 8 dargestellt. Dieses zeigt die Möglichkeit einer abgewinkelten Messung unter Verwendung eines Prismas als wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement 12. Bei diesem Beispiel erfolgt eine Strahlablenkung mittels des Prismas um 35 Grad. Die Kollimationseinheit 11 ist bei diesem Beispiel eine Linsengruppe, die aus einer GRIN-Linse und einer Doublet-Linse besteht, und die Frontlinsengruppe 13 ist aus zwei Singlet-Linsen gebildet.
Ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung ist in Figur 9 gezeigt, bei der eine rechtwinklige Strahlablenkung in
Richtung des Objektraums 14 erfolgt, wie sie in
endoskopischen Anwendungen von Vorteil sein kann. Wie bei dem vorherigen Beispiel kann die Kollimationseinheit 11 eine Linsengruppe sein, die aus einer GRIN-Linse und einer
Doublet-Linse besteht, und die Frontlinsengruppe 13 ist aus zwei Singlet-Linsen gebildet. Das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement 12 ist bei diesem Beispiel ein lineares Reflexionsbeugungsgitter, welches unter 45 Grad zur optischen Achse angeordnet ist und beispielsweise eine
Gitterperiode von 55,5 ym pro Linie aufweist.
In Figur 10 ist ein Beispiel der optischen Anordnung
dargestellt, bei der das Strahlvereinigungselement 12 ein Gitterprisma (GRISM, grating prism) ist, das aus einer
Kombination aus einem Beugungsgitter und einem Prisma
besteht. Dies bietet die Möglichkeit, den spektralen Verlauf der Bündelablenkung so zu beeinflussen, dass das zu
detektierende kurzwelligere Objektlicht von der Probe
seitlich nicht zu stark abgelenkt wird und effizient durch den lichtleitenden Mantel der Mehrkern-Faser 7 aufgesammelt werden kann, insbesondere dann, wenn der lichtleitende Mantel 4 symmetrisch zu den Faserkernen (wie in Figur 1A) angeordnet ist . Oft ist es günstig, dass die optische Achse der optischen Anordnung nicht gekippt wird. Dies ist insbesondere durch die Verwendung eines Transmissionsgitters als
wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement 12, wie in den Beispielen der Figuren 4 und 6, oder eines Doppelprismas 12, wie in den Beispielen der Figuren 5 und 7, oder durch die Kombination aus einem Gitter und einem Prisma wie im Beispiel der Figur 10 möglich. Unter Umständen kann es aber auch vorteilhaft sein, dass die optische Achse innerhalb der optischen Anordnung gekippt wird, beispielsweise bei einer endoskopischen Sonde, die seitlich orientierte
Probenbereiche, z. B. während einer Endoskopie, erfassen soll. In diesem Fall ist es günstig, das
wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement 12 als
Reflexionsbeugungsgitter, wie im Beispiel der Figur 9, zu realisieren, oder durch ein Ablenkprisma, wie im Beispiel der Figur 8, zu realisieren.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Anordnung für ein spektroskopisches
bildgebendes Verfahren, umfassend:
- eine Mehrkern-Faser (7), die mindestens einen ersten
Faserkern (1) zur Führung eines ersten Beleuchtungslichts und einen zweiten Faserkern (2) zur Führung eines zweiten
Beleuchtungslichts aufweist, wobei die Mehrkern-Faser (7) einen Faserscanner zur Auslenkung der Mehrkern-Faser (7) aufweist oder der Mehrkern-Faser (7) ein Spiegelscanner (9) nachfolgt, und
- ein wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement (12), das dazu eingerichtet ist, das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht in einem Objektraum (14)
räumlich zu überlagern.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1,
wobei das spektroskopische bildgebende Verfahren CARS- Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie ist.
3. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei das wellenlängenselektive Strahlvereinigungselement (12) zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner (9) und dem Objektraum (14) angeordnet ist.
4. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
wobei eine Kollimationslinse (11) zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner (9) und dem wellenlängenselektiven Strahlvereinigungselement (12) angeordnet ist.
5. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Mehrkern-Faser (7) einen lichtleitenden Mantel (4) zur Führung eines aus dem Objektraum (14)
kommenden Objektlichts umfasst, wobei der lichtleitende
Mantel (4) von einem äußeren Mantel (5) umgeben ist, der einen geringeren Brechungsindex als der lichtleitende Mantel (4) aufweist.
6. Optische Anordnung nach Anspruch 5,
wobei die Mehrkern-Faser (7) einen inneren Mantel (3) umfasst, in dem die Faserkerne (1, 2) angeordnet sind, wobei der innere Mantel (3) von dem lichtleitenden Mantel (4) umgeben ist und einen geringeren Brechungsindex als die
Faserkerne (1, 2) und einen geringeren Brechungsindex als der lichtleitende Mantel (4) aufweist.
7. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Mehrkern-Faser (7) eine
polarisationserhaltende Faser für das in den Faserkernen (1, 2) geführte erste und zweite Beleuchtungslicht ist.
8. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Faserkerne (1, 2) asymmetrisch in der Mehrkern-Faser (7) angeordnet sind.
9. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das wellenlängendispersive
Strahlvereinigungselement (12) ein
Transmissionsbeugungsgitter, ein Reflexionsbeugungsgitter, ein Prisma oder ein Gitterprisma umfasst.
10. Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die optische Anordnung einen Durchmesser von weniger als 5 mm aufweist.
11. Endoskopische Sonde, umfassend eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Spektroskopisches bildgebendes Verfahren, bei dem
- ein erstes Beleuchtungslicht in einem ersten Faserkern (1) einer Mehrkern-Faser (7) und ein zweites Beleuchtungslicht in einem zweiten Faserkern (2) der Mehrkern-Faser (7) geführt werden, wobei das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht verschiedene Wellenlängen aufweisen,
- das erste Beleuchtungslicht und das zweite
Beleuchtungslicht durch ein wellenlängendispersives
Strahlvereinigungselement (12) in einem Objektraum (14) räumlich überlagert werden, wobei die Mehrkern-Faser (7) als Faserscanner ausgebildet ist oder der Mehrkern-Faser (7) ein Spiegelscanner (9) nachfolgt, und wobei der Objektraum (14) durch die Bewegung des Faserscanners oder des Spiegelscanners (9) abgetastet wird, und
- ein aus dem Objektraum (14) kommendes Objektlicht in einem lichtleitenden Mantel (4) der Mehrkern-Faser (7) in Richtung einer Auswerteeinheit geführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das
wellenlängenselektive Strahlvereinigungselement (12) zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner (9) und dem
Objektraum (14) angeordnet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
wobei zwischen der Mehrkern-Faser (7) und dem Objektraum (14) ein einziger optischer Strahlengang ausgebildet ist, in dem das erste und zweite Beleuchtungslicht in Richtung des Objektraums geführt werden, und in dem das Objektlicht in umgekehrter Richtung zur Mehrkern-Faser (7) geführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das spektroskopische bildgebende Verfahren CARS- Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das erste Beleuchtungslicht eine Pumpwellenlänge aufweist und das zweite Beleuchtungslicht eine Stokes- Wellenlänge aufweist.
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