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DE102014008098A1 - Spectrally flexible, fast-switching optical filter device - Google Patents

Spectrally flexible, fast-switching optical filter device Download PDF

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Publication number
DE102014008098A1
DE102014008098A1 DE102014008098.6A DE102014008098A DE102014008098A1 DE 102014008098 A1 DE102014008098 A1 DE 102014008098A1 DE 102014008098 A DE102014008098 A DE 102014008098A DE 102014008098 A1 DE102014008098 A1 DE 102014008098A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
filter
light
beam deflecting
deflecting device
reflected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102014008098.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Daniel Schwedt
Peter Westphal
Tiemo Anhut
Matthias Wald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Carl Zeiss AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microscopy GmbH, Carl Zeiss AG filed Critical Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority to DE102014008098.6A priority Critical patent/DE102014008098A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Filtervorrichtung (1) mit einem Filter (5), das Bereiche mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften aufweist. Die bekannten variablen Filtervorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Umschaltung zwischen verschiedenen zu entfernenden spektralen Teilbereichen relativ lange dauert, da dazu der Verlaufsfilter verschoben und/oder geschwenkt werden muss. Die Erfindung soll auch bei hoher spektraler Trennschärfe und starker Unterdrückung eine schnelle Umschaltung ermöglichen. Dazu sind zwei variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtungen (6/7) vorgesehen, wobei ein auf die erste Strahlablenkvorrichtung einfallender Lichtstrahl mittels der ersten Strahlablenkvorrichtung auf unterschiedliche spektral selektive Bereiche des Filters ablenkbar ist und das Filter und die Strahlablenkvorrichtungen so angeordnet sind, dass der zum Filter abgelenkte und dort reflektierte oder transmittierte Lichtstrahl auf die zweite Strahlablenkvorrichtung trifft. Das ermöglicht eine flexiblere, schnellere Umschaltung zwischen unterschiedlichen Filterbereichen in weniger als 100 ms, da die Strahlablenkvorrichtungen beispielsweise im Falle der Ausgestaltung als drehbare Spiegel deutlich kleiner als das Filter und damit deutlich weniger träge sind, so dass sie schneller bewegt werden können. FluoreszenzmikroskopieThe invention relates to an optical filter device (1) having a filter (5) which has regions with different spectral filter characteristics. However, the known variable filter devices have the disadvantage that the switchover between different spectral subregions to be removed takes a relatively long time, since the graduated filter has to be shifted and / or swiveled for this purpose. The invention is intended to enable rapid switching even with high spectral selectivity and strong suppression. For this purpose, two variably adjustable Strahlablenkvorrichtungen (6/7) are provided, wherein an incident on the first Strahlablenkvorrichtung light beam by means of the first Strahlablenkvorrichtung to different spectrally selective areas of the filter is deflected and the filter and the Strahlablenkvorrichtungen are arranged so that the deflected to the filter and Reflected or transmitted there light beam strikes the second beam deflecting device. This allows a more flexible, faster switching between different filter areas in less than 100 ms, since the beam deflecting devices, for example, in the embodiment as a rotatable mirror significantly smaller than the filter and thus much less sluggish so that they can be moved faster. fluorescence microscopy

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Filtervorrichtung, die ein Filter, insbesondere mit dichroitischen Schichten, umfasst, das parallel zu einer seiner (vorzugsweise planen) Oberflächen angeordnete Bereiche („spektral selektive Bereiche”) mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften aufweist („Verlaufsfilter”). Das optische Transmissionsvermögen des Filters ist also zum einen wellenlängenabhängig (und in demselben Bereich für verschiedene Wellenlängen dem Betrage nach unterschiedlich) und für mindestens eine Wellenlänge in voneinander verschiedenen Bereichen des Filters unterschiedlich. Das Filter kann dabei einstückig sein, oder die unterschiedlichen Bereiche sind auf mehreren Stücken verteilt angeordnet. Mehrere Stücke sind dabei zweckmäßigerweise mechanisch miteinander verbunden, müssen dabei aber nicht unmittelbar miteinander in Kontakt sein.The invention relates to an optical filter device which comprises a filter, in particular with dichroic layers, which has regions ("spectrally selective regions") with different spectral filter properties arranged parallel to one of its (preferably planar) surfaces ("gradient filter"). The optical transmissivity of the filter is therefore different depending on the wavelength (and different in magnitude in the same range for different wavelengths) and for at least one wavelength in mutually different regions of the filter. The filter can be in one piece, or the different areas are arranged distributed on several pieces. Several pieces are expediently mechanically connected to each other, but need not be directly in contact with each other.

Spektrale Filtervorrichtungen werden zur Entfernung eines spektralen Teilbereichs (der auch aus mehreren separaten Bändern bestehen kann) aus einem Lichtstrahl durch spektral selektive Reflexion, Transmission und/oder Absorption eingesetzt (Unterdrückung). Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Licht jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung, also insbesondere ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung. Ein Lichtstrahl kann konvergent, divergent oder kollimiert sein.Spectral filter devices are used for the removal of a spectral subregion (which can also consist of several separate bands) from a light beam by spectrally selective reflection, transmission and / or absorption (suppression). For the purposes of the invention, the term light comprises any electromagnetic radiation which can be manipulated by optical means, that is to say in particular ultraviolet, visible and infrared radiation. A ray of light may be convergent, divergent or collimated.

Derartige Filtervorrichtungen können insbesondere bei der mikroskopischen Bildgebung von lumineszierenden (fluoreszierenden oder phosphoreszierenden) Proben eingesetzt werden. In der Fluoreszenzmikroskopie enthält das von der Probe kommende Licht („Probenlicht”) einerseits Fluoreszenzlicht, andererseits reflektiertes und gestreutes Beleuchtungslicht („Anregungslicht”). Anregungslicht und Fluoreszenzlicht weisen unterschiedliche Wellenlängen (Farben) auf, was ihre Trennung ermöglicht.Such filter devices can be used in particular in the microscopic imaging of luminescent (fluorescent or phosphorescent) samples. In fluorescence microscopy, the light coming from the sample ("sample light") contains on the one hand fluorescent light, on the other hand reflected and scattered illumination light ("excitation light"). Excitation light and fluorescent light have different wavelengths (colors), which allows their separation.

Im Stand der Technik sind dichroitische Spiegel als optische Filtervorrichtungen bekannt. Diese können beispielsweise wie in US 6,167,173 in einem Fluoreszenzmikroskop als Hauptfarbteiler zur optischen Kopplung des Beleuchtungsstrahlengangs mit dem Detektionsstrahlengang (auch als „Auffädeln” des Beleuchtungsstrahls auf den Fluoreszenzstrahl bezeichnet) eingesetzt werden. Dabei sind unterschiedliche Geometrien möglich, die sich auf den Unterdrückungsfaktor für das jeweils unerwünschte Licht auswirken. Dieser soll möglichst hoch sein.Dichroic mirrors are known in the art as optical filter devices. These can, for example, as in US 6,167,173 in a fluorescence microscope as a main color splitter for the optical coupling of the illumination beam path with the detection beam path (also referred to as "threading" of the illumination beam to the fluorescent beam) are used. Different geometries are possible, which affect the suppression factor for each unwanted light. This should be as high as possible.

Allgemein gilt, dass dichroitische Spiegel unter senkrechter Inzidenz (0°) eine maximale Trennschärfe und Unterdrückung aufweisen. In diesem Fall ist aber keine Kopplung mehrerer Strahlengänge möglich, so dass für Hauptfarbteiler ein von 0° abweichender, aber möglichst kleiner Einfallswinkel gewählt wird. Ursprünglich wurde wie in US 6,167,173 ein Einfallswinkel von 45° verwendet. Kleinere, aber von Null verschiedene Einfallswinkel gemäß US 2008/0062511 A1 erlauben demgegenüber eine stärkere Unterdrückung des zu entfernenden spektralen Teilbereichs in der Transmission.In general, dichroic mirrors with vertical incidence (0 °) have maximum selectivity and suppression. In this case, however, no coupling of a plurality of beam paths is possible, so that a main beam divider deviates from 0 °, but is selected as small as possible. Originally as in US 6,167,173 used an angle of incidence of 45 °. Smaller but non-zero angles of incidence according to US 2008/0062511 A1 on the other hand, allow greater suppression of the spectral subrange to be removed in the transmission.

Als Hauptfarbteiler (Hauptstrahlteiler) werden in der Regel solche dichroitischen Spiegel eingesetzt, die als Kerbfilter (engl. „notch filter”) ausgebildet sind. Langpässe oder breite Bandpässe finden dagegen Einsatz als Emissionsfilter im (reinen) Detektionsstrahlengang. Emissionsfilter können auch unter senkrechter Inzidenz angeordnet sein. Für alle Anwendungsfälle gilt, dass die spektrale Abhängigkeit von Transmission und Reflexion bei dichroitischen Spiegeln statisch ist. Das ist insbesondere in Verbindung mit spektral einstellbaren oder breitbandig emittierenden Lichtquellen, beispielsweise sogenannten Multilinien- oder Weißlichtlasern, problematisch. In spektral unterschiedlichen Anregungssituationen darf vor der Detektion nur das momentane Anregungslicht gefiltert werden, um das Messergebnis nicht zu verfälschen. Das gilt insbesondere für den Einsatz einer geeigneten optischen Filtervorrichtung als Hauptfarbteiler.As a main color splitter (main beam splitter) such dichroic mirrors are usually used, which are designed as a notch filter. Long passes or broad band passes, on the other hand, are used as emission filters in the (pure) detection beam path. Emission filters may also be arranged at vertical incidence. For all applications, the spectral dependence of transmission and reflection at dichroic mirrors is static. This is particularly problematic in connection with spectrally adjustable or broadband emitting light sources, for example so-called multi-line or white-light lasers. In spectrally different excitation situations, only the instantaneous excitation light may be filtered prior to detection so as not to falsify the measurement result. This is especially true for the use of a suitable optical filter device as the main color splitter.

Notwendig sind optische Filtervorrichtungen, die hinsichtlich des zu entfernenden spektralen Teilbereichs variabel einstellbar sind. Sie können zur spektral flexiblen Beleuchtung und/oder zur flexiblen Trennung von Beleuchtungslicht und Probenlicht eingesetzt werden, indem der zu entfernende spektrale Teilbereich an das momentane Beleuchtungsband (oder die momentanen Beleuchtungsbänder) angepasst wird.Necessary are optical filter devices that are variably adjustable with regard to the spectral subrange to be removed. They can be used for spectrally flexible illumination and / or for the flexible separation of illumination light and sample light by adapting the spectral subrange to be removed to the current illumination band (or the current illumination bands).

Ein Farbteiler, der eine Variabilität der Lichtquelle zulässt, ist beispielsweise in US 2010/188741 A1 beschrieben. Er umfasst mehrere spektral unterschiedliche Filter, die auf einem Rad angeordnet und dadurch selektiv in den Strahlengang schwenkbar sind. Dabei kann dem Farbteiler in Beleuchtungsrichtung ein drehbarer Spiegel zur Justierung des Einfallswinkels auf den Farbteiler vorgeordnet sein, um die Kollinearität mindestens eines Beleuchtungslasers zur optischen Achse einzustellen. Insbesondere kann es sich um einen durchstimmbaren Laser handeln.A color divider, which allows variability of the light source is, for example, in US 2010/188741 A1 described. It comprises a plurality of spectrally different filters, which are arranged on a wheel and thereby are selectively pivotable in the beam path. In this case, the color divider in the illumination direction may be preceded by a rotatable mirror for adjusting the angle of incidence on the color splitter to adjust the collinearity of at least one illumination laser to the optical axis. In particular, it may be a tunable laser.

Des weiteren wird in US 2002/0097485 A1 eine Filtervorrichtung beschrieben, die einen Strahlteiler und einen Spiegel umfasst, wobei der Strahlteiler als dichroitischer Spiegel mit einer Vielzahl von spektral selektiven Bereichen mit unterschiedlichen Filtereigenschaften ausgebildet ist. Das Verschieben des Strahlteilers quer zum Lichtstrahl ermöglicht die Anpassung der spektralen Charakteristika des Hauptstrahlteilers an das Beleuchtungslicht. Aufgrund des Einfallswinkels von 45° ist die Unterdrückung des zu entfernenden spektralen Teilbereichs relativ gering.Furthermore, in US 2002/0097485 A1 describes a filter device comprising a beam splitter and a mirror, wherein the beam splitter is formed as a dichroic mirror having a plurality of spectrally selective regions with different filter properties. Moving the beam splitter transversely to the light beam allows the Adjustment of the spectral characteristics of the main beam splitter to the illumination light. Due to the angle of incidence of 45 °, the suppression of the spectral portion to be removed is relatively small.

Eine stärkere Unterdrückung ermöglicht die in US 2008/062511 A1 beschriebene Filtervorrichtung aufgrund des dort geringeren Einfallswinkels des Beleuchtungslichtes beziehungsweise des Probenlichtes von weniger als 45°, insbesondere weniger als 20°, auf die Oberfläche des Hauptfarbteilers oder eines im Detektionsstrahlengang angeordneten weiteren Strahlteilers. Dabei kann der weitere Strahlteiler als variabler Verlaufsfilter ausgebildet und entlang des Verlaufs verschiebbar angeordnet sein. Zusätzlich zur Verschiebung ist aus DE 20 2008 016 287 U1 auch eine Verschwenkung des Verlaufsfilters relativ zum Lichtstrahl bekannt, um die spektrale Lage der Filterkanten zu verschieben.A stronger oppression allows the in US 2008/062511 A1 described filter device due to the there lower angle of incidence of the illumination light or the sample light of less than 45 °, in particular less than 20 °, on the surface of the main color splitter or disposed in the detection beam path further beam splitter. In this case, the further beam splitter can be designed as a variable graduated filter and arranged to be displaceable along the path. In addition to the shift is off DE 20 2008 016 287 U1 also a pivoting of the gradient filter relative to the light beam known to move the spectral position of the filter edges.

Die vorgenannten variablen Filtervorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Umschaltung zwischen verschiedenen zu entfernenden spektralen Teilbereichen relativ lange dauert, da jeweils mindestens ein träges mechanisches Teil bewegt (Filter im Filterrad gedreht beziehungsweise Verlaufsfilter verschoben und/oder geschwenkt) werden muss.However, the aforementioned variable filter devices have the disadvantage that the switchover between different spectral subregions to be removed takes a relatively long time, since in each case at least one sluggish mechanical part has to be moved (filter has to be rotated in the filter wheel or the graduated filter has to be shifted and / or swiveled).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Filtervorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern, um auch bei hoher spektraler Trennschärfe und starker Unterdrückung des zu entfernenden spektralen Teilbereichs eine schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen zu entfernenden spektralen Teilbereichen zu ermöglichen.The invention has for its object to improve an optical filter device of the type mentioned in order to allow even with high spectral selectivity and strong suppression of the spectral portion to be removed fast switching between different to be removed spectral portions.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Filtervorrichtung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.This object is achieved by an optical filter device having the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß sind zwei variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtungen vorgesehen, wobei ein auf die erste Strahlablenkvorrichtung einfallender Lichtstrahl mittels der ersten Strahlablenkvorrichtung auf unterschiedliche spektral selektive Bereiche des Filters ablenkbar ist und das Filter und die Strahlablenkvorrichtungen so angeordnet sind, dass der zum Filter abgelenkte und dort reflektierte oder transmittierte Lichtstrahl (unabhängig von der Lage dieser Bereiche) auf die zweite Strahlablenkvorrichtung trifft. Variabel einstellbar bedeutet im Sinne der Erfindung, dass eine Strahlablenkvorrichtung hinsichtlich der Ablenkrichtung (Winkeldifferenz zwischen eingehendem und ausgehendem Lichtstrahl) einstellbar ist.According to the invention, two variably adjustable beam deflection devices are provided, wherein a light beam incident on the first beam deflection device can be deflected by the first beam deflection device to different spectrally selective regions of the filter and the filter and the beam deflection devices are arranged such that the light beam deflected to the filter and reflected or transmitted there (Irrespective of the location of these areas) encounters the second beam deflecting device. In the context of the invention, variably adjustable means that a beam deflecting device can be set with regard to the deflection direction (angular difference between the incoming and outgoing light beam).

Eine derartig ausgestaltete Filtervorrichtung ermöglicht eine flexiblere, schnellere Umschaltung zwischen unterschiedlichen Filterbereichen in weniger als 100 ms, vorzugsweise sogar in weniger als 10 ms, da die Strahlablenkvorrichtungen beispielsweise im Falle der Ausgestaltung als drehbare Spiegel deutlich kleiner als das Filter und damit deutlich weniger träge sind, so dass sie schneller bewegt werden können als das Filter selbst. Dabei können herkömmliche, mit geringem Aufwand kommerziell verfügbare Verlaufsfilter und Strahlablenkvorrichtungen verwendet werden. Die zweite Strahlablenkvorrichtung dient dabei zur Kompensation des Richtungsfehlers, der dem Lichtstrahl durch die Ablenkung auf unterschiedliche spektral selektive Bereiche des Filters durch die erste Strahlablenkvorrichtung aufgeprägt wird. Das Verlaufsfilter kann dabei so ausgebildet sein, dass die Filtervorrichtung eine kontinuierliche Anpassung der spektralen Strahlteilungseigenschaften auf den gewählten zu trennendenden Wellenlängenbereich erlauben, ohne Kompromisse hinsichtlich der Unterdrückung in Filterrichtung hinnehmen zu müssen. Die Transmission eines Fluoreszenzsignals wird durch die zusätzlichen Optiken im Vergleich zu herkömmlichen, rein dichroitischen Strahlteilerlösungen nur insignifikant reduziert.Such a configured filter device allows a more flexible, faster switching between different filter areas in less than 100 ms, preferably even less than 10 ms, since the beam deflecting devices, for example in the case of the design as a rotatable mirror significantly smaller than the filter and thus significantly less sluggish, so that they can be moved faster than the filter itself. In this case, conventional, commercially available with little effort gradient filter and Strahlablenkvorrichtungen can be used. The second beam deflecting device serves to compensate for the directional error, which is impressed on the light beam by the deflection to different spectrally selective regions of the filter by the first beam deflecting device. The gradient filter can be designed so that the filter device allow continuous adjustment of the spectral beam splitting properties to the selected wavelength range to be separated without having to accept compromises with regard to the suppression in the filter direction. The transmission of a fluorescence signal is only insignificantly reduced by the additional optics in comparison to conventional, purely dichroic beam splitter solutions.

Die Erfindung kann besonders vorteilhaft bei der bildweisen Mehrfachverfolgung (engl. „multi-tracking”) mehrerer unterschiedlicher Fluoreszenzfarbstoffsorten verwendet werden, da hier in Verbindung mit einer schnellen Wellenlängenumschaltung seitens der Anregungslichtquelle nach für jeden Bildaufnahmedurchgang eine andere Wellenlänge eingestellt und so ein anderer Farbstoff angeregt werden kann. Dadurch wird einerseits ein Übersprechen (engl. „cross-talk”) im Anregungslicht unter den Farbstoffen minimiert und andererseits der Bildkontrast optimiert, da beispielsweise Kantenfilter bei einerseits hoher Unterdrückung im nicht transmittierten Spektralbereich andererseits einen steilen Übergang, typischerweise schmaler als 2 nm, zwischen Transmissions- und Sperrbereich aufweisen. Somit werden dem Fluoreszenzlicht nur geringe Filterverluste beigefügt.The invention can be used particularly advantageously in the image-wise multiple tracking of a plurality of different types of fluorescent dyes, since, in conjunction with rapid wavelength switching by the excitation light source, a different wavelength is set for each image acquisition passage and thus a different dye is excited can. On the one hand, this minimizes crosstalk in the excitation light among the dyes and, on the other hand, optimizes the image contrast since, for example, edge filters with a high suppression in the non-transmitted spectral range have a steep transition, typically narrower than 2 nm, between transmissions and blocking area. Thus, only small filter losses are added to the fluorescent light.

Vorzugsweise sind das Filter und die Strahlablenkvorrichtungen so angeordnet, dass der am Filter reflektierte beziehungsweise durch das Filter transmittierte Lichtstrahl (für jeden der unterschiedlichen spektral selektiven Bereiche des Filters) von der zweiten Strahlablenkvorrichtung so ablenkbar ist, dass er parallel, insbesondere koaxial, zum einfallendem Lichtstrahl verläuft. Zweckmäßigerweise kann die Filtervorrichtung eine Steuereinheit umfassen, die zur Einstellung der Strahlablenkvorrichtungen mit diesen verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die erste Strahlablenkvorrichtung in Abhängigkeit eines vorgebbaren oder vorgegebenen Parameters einzustellen und die zweite Strahlablenkvorrichtung zu einzustellen, dass sie den an dem Filter reflektierten beziehungsweise durch das Filter transmittierten Lichtstrahl so ablenkt, dass er parallel, insbesondere koaxial, zum einfallendem Lichtstrahl verläuft.Preferably, the filter and the beam deflection devices are arranged such that the light beam transmitted to the filter or transmitted through the filter (for each of the different spectrally selective regions of the filter) is deflectable by the second beam deflection device so as to be parallel, in particular coaxial, to the incident light beam runs. Conveniently, the filter device may comprise a control unit, which is connected to the setting of the Strahlablenkvorrichtungen with these and is adapted to set the first beam deflecting device in response to a predetermined or predetermined parameter and the second beam deflecting device to adjust that it deflects the light beam reflected on the filter or transmitted through the filter so that it is parallel, in particular coaxial, to the incident light beam.

Vorzugsweise ist die erste und/oder die zweite Strahlablenkvorrichtung ein (jeweiliger) Spiegel, insbesondere basierend auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS), oder ein (jeweiliges) akustooptisches Element, insbesondere ein akusto-optisch einstellbarer Deflektor (AOD). Damit ist die einstellbare Strahlablenkung mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit möglich. Der Einsatz eines akustooptischen Elements ermöglicht durch dessen zusätzliche spektral selektive Wirkung eine stärkere Unterdrückung des zu entfernenden spektralen Teilbereichs.Preferably, the first and / or the second beam deflection device is a (respective) mirror, in particular based on a microelectromechanical system (MEMS), or a (respective) acousto-optical element, in particular an acousto-optically adjustable deflector (AOD). Thus, the adjustable beam deflection is possible with little effort and high accuracy. The use of an acousto-optic element, by virtue of its additional spectrally selective effect, enables greater suppression of the spectral subarea to be removed.

Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, in denen mindestens eine der Strahlablenkvorrichtungen (insbesondere beide Strahlablenkvorrichtungen) um zwei verschiedene Achsen drehbar sind. Dadurch kann das Licht zweidimensional über das Filter bewegt werden, so dass eine größere Zahl von Schaltstellungen möglich ist. Dadurch, dass dann über zwei Achsen synchron abgelenkt werden kann, ist die neue Schaltstellung im Mittel zudem schneller erreichbar. Insbesondere können die Drehachsen in einer Ebene liegen, vorzugsweise mit zueinander orthogonalem Verlauf. Durch den so bereitgestellten ortsfesten Drehpunkt ist die Ablenkung mit geringerem Ortsfehler möglich. Zweckmäßigerweise kann der Drehpunkt in der Oberfläche der Strahlablenkvorrichtung liegen, um den Ortsfehler zu minimieren.Embodiments in which at least one of the beam deflecting devices (in particular both beam deflecting devices) are rotatable about two different axes are particularly advantageous. Thereby, the light can be moved two-dimensionally over the filter, so that a larger number of switching positions is possible. The fact that then can be deflected synchronously over two axes, the new switch position on average also faster reach. In particular, the axes of rotation can lie in one plane, preferably with mutually orthogonal course. Due to the fixed pivot point thus provided, the deflection is possible with less local error. Conveniently, the fulcrum may be in the surface of the beam deflector to minimize the location error.

Eine größere Zahl von Filterkonfigurationen kann bereitgestellt werden, wenn die Bereiche mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften zweidimensional parallel zur Oberfläche des Filters verteilt angeordnet sind. Insbesondere ist eine Kombination mit einem Antrieb zur Verschiebung des Filters quer zu einer mittels der ersten Strahlablenkvorrichtung erreichbaren Ablenkrichtung möglich, beispielsweise, wenn die erste Strahlablenkvorrichtung nur um genau eine Achse drehbar ist.A larger number of filter configurations may be provided if the regions having different spectral filter characteristics are distributed two-dimensionally parallel to the surface of the filter. In particular, a combination with a drive for displacing the filter transversely to a direction of deflection achievable by means of the first beam deflecting device is possible, for example if the first beam deflecting device is only rotatable about exactly one axis.

Eine vereinfachte Bauweise ist dadurch möglich, dass die zweite Strahlablenkvorrichtung durch die erste Strahlablenkvorrichtung gebildet ist. Diese Mehrfachnutzung der ersten Strahlablenkvorrichtung ermöglicht eine kompaktere Bauweise und die Verwendung weniger komplexer optischer Komponenten. Das gelingt beispielsweise durch Anordnung eines Spiegels, insbesondere gebildet durch das Filter selbst, derart, dass er von der ersten Strahlablenkvorrichtung auf das Filter abgelenktes und daraufhin am Filter reflektiertes Licht echt parallel zu dem auf das Filter abgelenkten Licht zur ersten Strahlablenkvorrichtung reflektiert, und/oder durch Anordnung eines Retroreflektors derart, dass er von der ersten Strahlablenkvorrichtung auf das Filter abgelenktes und daraufhin durch das Filter transmittiertes Licht echt parallel zu dem auf das Filter abgelenkten Licht abseits des Filters oder durch einen farbneutralen Bereich des Filters zur ersten Strahlablenkvorrichtung reflektiert. Die zweite Strahlablenkvorrichtung ist dann virtuell, indem sie aus der Perspektive des Filters als versetztes Spiegelbild der ersten Strahlablenkvorrichtung (oder deren Rückseite) bereitgestellt wird.A simplified construction is possible because the second beam deflection device is formed by the first beam deflection device. This multiple use of the first beam deflecting device allows for a more compact design and the use of less complex optical components. This is achieved, for example, by arranging a mirror, in particular formed by the filter itself, in such a way that it reflects light deflected by the first beam deflecting device onto the filter and then reflected by the filter in a direction parallel to the light deflected onto the filter to the first beam deflecting device, and / or by providing a retroreflector such that it reflects light deflected by the first beam deflector onto the filter and subsequently transmitted through the filter, in a direction parallel to the light deflected by the filter away from the filter or through a colorless region of the filter to the first beam deflector. The second beam deflector is then virtual by being provided from the perspective of the filter as an offset mirror image of the first beam deflector (or its backside).

Vorzugsweise kann die Filtervorrichtung eine dritte variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtung umfassen, die so angeordnet ist, dass diejenigen spektralen Anteile des von der ersten Strahlablenkvorrichtung her auf das Filter treffenden Lichtstrahls, die vom Filter nicht zur zweiten Strahlablenkvorrichtung gelangen, auf die dritte Strahlablenkvorrichtung treffen. Analog zur zweiten Strahlablenkvorrichtung dient die dritte Strahlablenkvorrichtung zur Kompensation von Richtungsfehlern und daraus resultierenden Ortsfehlern, die dem zum Filter abgelenkten Lichtstrahl von der ersten Strahlablenkvorrichtung aufgeprägt werden. Im Falle des Einsatzes als Hauptfarbteiler ist die zweite Strahlablenkvorrichtung beispielsweise für den zur Lichtquelle zurückgeleiteten, dem Anregungslicht entsprechenden spektralen Anteil an dem vom Objektiv kommenden Probenlicht und die dritte Strahlablenkvorrichtung für den zum Detektor geleiteten spektralen Anteil des Probenlichts verantwortlich.Preferably, the filter device may comprise a third variably adjustable Strahlablenkvorrichtung, which is arranged so that those spectral components of the light beam from the first Strahlablenkvorrichtung ago striking the filter, which do not pass from the filter to the second Strahlablenkvorrichtung encounter the third Strahlablenkvorrichtung. Analogously to the second beam deflecting device, the third beam deflecting device serves to compensate for directional errors and resulting spatial errors which are impressed on the first deflecting device by the light beam deflected toward the filter. In the case of use as a main color splitter, the second beam deflecting device is responsible, for example, for the spectral portion corresponding to the excitation light to the sample light coming from the objective and the third beam deflecting device for the spectral portion of the sample light directed to the detector.

Die ausgangsseitige Strahllage kann mit höherer Genauigkeit konstant bleiben, wenn optisch zwischen der ersten Strahlablenkvorrichtung und dem Filter eine (vorzugsweise um dieselbe Achse wie die erste Strahlablenkvorrichtung) variabel einstellbare Hilfsstrahlablenkvorrichtung oder eine Kollimationsoptik angeordnet ist und/oder optisch zwischen der zweiten Strahlablenkvorrichtung und dem Filter eine weitere (vorzugsweise um dieselbe Achse wie die zweite Strahlablenkvorrichtung) variabel einstellbare Hilfsstrahlablenkvorrichtung oder eine zur Kollimationsoptik invers wirkende Dekollimationsoptik angeordnet ist und/oder optisch zwischen der dritten Strahlablenkvorrichtung und dem Filter eine weitere variabel einstellbare Hilfsstrahlablenkvorrichtung oder eine zur Kollimationsoptik invers wirkende Dekollimationsoptik angeordnet ist. Die Hilfsstrahlablenkvorrichtung dient zur Kompensation eines dem Lichtstrahl von der ersten Strahlablenkvorrichtung aufgeprägten Ortsfehlers. Entsprechend kann mittels der anderen Hilfsstrahlablenkvorrichtung ein dem Lichtstrahl von der zweiten Strahlablenkvorrichtung aufgeprägten Ortsfehlers kompensiert werden. Durch entsprechende Kollimations- und Dekollimationsoptiken kann ein solcher Ortsfehler von vornherein vermieden werden.The output-side beam position can remain constant with higher accuracy if optically a (preferably around the same axis as the first Strahlablenkvorrichtung) variably adjustable Hilfsstrahlablenkvorrichtung or a Kollimationsoptik is disposed between the first Strahlablenkvorrichtung and the filter and / or optically between the second Strahlablenkvorrichtung and the filter further (preferably around the same axis as the second beam deflection) variably adjustable Hilfsstrahlablenkvorrichtung or for collimating optics inversely acting Dekollimationsoptik is arranged and / or optically between the third Strahlablenkvorrichtung and the filter another variably adjustable Hilfsstrahlablenkvorrichtung or for collimating optics inversely acting decollimation optics is arranged. The auxiliary beam deflection device is used to compensate for a local error imposed on the light beam by the first beam deflection device. Accordingly, by means of the other auxiliary beam deflection device, a positional error impressed on the light beam by the second beam deflection device can be compensated. By appropriate collimation and Dekollimationsoptiken such a location error can be avoided from the outset.

Vorteilhafterweise kann die Filtervorrichtung eine Sammeloptik zum Verringern des Strahlquerschnitts auf dem Filter umfassen. Dadurch können die spektral unterschiedlich selektiven Bereiche kleiner gestaltet werden, so dass die Filtergröße verringert oder bei gleicher Filtergröße eine größere Anzahl von Filterkonfigurationen bereitgestellt werden kann. Zudem verringert sich der Flächeninhalt, über den bei Verlaufsfiltern die Filterfunktion integriert wird. Dementsprechend erhöht sich die Trennschärfe der Anordnung bei Verwendung von Verlaufsfiltern. Dabei kann auf der entgegengesetzten Seite des Filters eine Optik zum Rückgängigmachen der fokussierenden Wirkung der Sammeloptik angeordnet sein. So kann eingangs- und ausgangsseitig der Filtervorrichtung eine identische Strahlgeometrie erreicht werden. Advantageously, the filter device may comprise collection optics for reducing the beam cross section on the filter. As a result, the spectrally differently selective regions can be made smaller, so that the filter size can be reduced or a larger number of filter configurations can be provided with the same filter size. In addition, the surface area reduces over which the filter function is integrated during gradient filters. Accordingly, the selectivity of the arrangement increases when using graduated filters. In this case, optics for reversing the focusing effect of the collection optics can be arranged on the opposite side of the filter. Thus, an identical beam geometry can be achieved on the input and output side of the filter device.

Die zuvor beschriebene Filtervorrichtung kann vorteilhafterweise in einem Mikroskop, insbesondere zur Detektion von Lumineszenz, eingesetzt werden, vorzugsweise als Hauptfarbteiler zur optischen Kopplung eines Beleuchtungsstrahlengangs, der eine Lichtquelle umfasst, und eines Detektionsstrahlengang, der einen optoelektronischen Detektor umfasst, wobei der vom Filter her auf die zweite Strahlablenkvorrichtung treffende Lichtstrahl mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung in ein Objektiv des Mikroskops, insbesondere durch eine Pupille des Objektivs, ablenkbar ist, oder als Anregungsfilter im Beleuchtungsstrahlengang, insbesondere außerhalb des Detektionsstrahlenganges, oder als Nebenfarbteiler im Detektionsstrahlengang, insbesondere außerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges, oder als Emissionsfilter im Detektionsstrahlengang, insbesondere außerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges.The filter device described above can advantageously be used in a microscope, in particular for the detection of luminescence, preferably as a main color splitter for optically coupling an illumination beam path comprising a light source, and a detection beam path comprising an optoelectronic detector, which from the filter on the second beam deflecting incident by the second beam deflecting device into a lens of the microscope, in particular by a pupil of the lens, or as an excitation filter in the illumination beam path, in particular outside the detection beam path, or as a sub-color splitter in the detection beam path, in particular outside the illumination beam path, or as an emission filter in Detektionsstrahlengang, in particular outside the illumination beam path.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform des Mikroskops, in welcher das Filter in oder zumindest näherungsweise in einem Zwischenbild angeordnet sein, um eine erhöhte Trennschärfe bereitzustellen. Die Strahlablenkvorrichtungen sind dann vorzugsweise in oder zumindest näherungsweise in (zur Pupillenebene des Objektivs) konjugierten Pupillenebenen angeordnet. Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn das Filter in oder zumindest näherungsweise in einer konjugierten Pupilleebene und die (reflektierenden Oberflächen der) Strahlablenkvorrichtungen in Zwischenbildebenen angeordnet sind. Zwar ist die Trennschärfe in dieser Alternative geringer, die Aufpunkte sind aber konstant und Defekte somit korrigierbar.An embodiment of the microscope in which the filter is arranged in or at least approximately in an intermediate image in order to provide increased selectivity is advantageous. The beam deflecting devices are then preferably arranged in or at least approximately in (to the pupil plane of the objective) conjugate pupil planes. Alternatively, it may be advantageous if the filter is arranged in or at least approximately in a conjugate pupil plane and the (reflecting surfaces of) the beam deflecting devices in intermediate image planes. Although the selectivity is lower in this alternative, the Aufpunkte are constant and thus correctable defects.

Ein solches Mikroskop kann vorzugsweise einen durchstimmbaren Laser, der (unmittelbar oder mittelbar) auf die erste Strahlablenkvorrichtung der Filtervorrichtung (die als Hauptfarbteiler eingesetzt ist) gerichtet ist, umfassen. Dadurch werden unterschiedliche Messungen innerhalb einer großen spektralen Bandbreite mit kurzen Umschaltzeiten ermöglicht. Der Filter kann dabei als Kerbfilter (mit unterschiedlicher spektraler Lage der Kerbe in den verschiedenen spektral selektive Bereichen des Filters) ausgebildet sein. Das gilt auch für Multilinien-Laser und spektral breitbandig (nicht durchstimmbare) emittierende Laser.Such a microscope may preferably comprise a tunable laser directed (directly or indirectly) to the first beam deflecting device of the filter device (which is used as a main color splitter). This allows different measurements within a wide spectral bandwidth with short switching times. The filter can be designed as a notch filter (with different spectral position of the notch in the different spectrally selective regions of the filter). This also applies to multiline lasers and spectrally broadband (non-tunable) emitting lasers.

Im Sinne der Erfinder liegt ein durchstimmbarer Laser dann vor, wenn durch ein internes Mittel des Lasers oder ein externes Mittel, beispielsweise einen spektral selektiven Modulator, ein Wellenlängenbereich exklusiv ausgewählt werden kann.For the purposes of the inventors, a tunable laser is present if a wavelength range can be selected exclusively by means of an internal means of the laser or an external means, for example a spectrally selective modulator.

Zusätzlich kann das Mikroskop einen (statischen) Farbteiler und mindestens einen weiteren Laser umfassen, der (unmittelbar oder mittelbar) auf den diesen Farbteiler gerichtet ist, wobei der weitere Farbteiler so angeordnet ist, dass er Licht von dem weiteren Laser zur zweiten Strahlablenkvorrichtung reflektiert. Auf diese Weise kann Anregungslicht verschiedener Wellenlängen simultan eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise bei der Lebendzellbildgebung besonders vorteilhaft, wenn schnell ablaufende Prozesse untersucht werden sollen, die beispielsweise bereits innerhalb einer Bildaufnahmedauer Änderungen verursachen, so dass die Bildinformationen zweier Multiverfolgungsaufnahmen einander nicht mehr überdecken. Des weiteren können zwei verschiedene, hocheffizient gefilterte und schnell umschaltbare Wellenlängen zur simultanen Anregung in speziellen mikroskopischen Verfahren wie „Stimulated Emission Depletion” (STED) oder auch „Coherent anti-Stokes-Raman Scattering” (CARS) bereitgestellt werden.In addition, the microscope may include a (static) color splitter and at least one other laser directed (directly or indirectly) at this color splitter, the further color splitter being arranged to reflect light from the further laser to the second beam deflector. In this way, excitation light of different wavelengths can be used simultaneously. This is particularly advantageous in living cell imaging, for example, if fast-running processes are to be investigated which, for example, already cause changes within an image acquisition time, so that the image information of two multi-tracking images no longer covers one another. Furthermore, two different highly efficiently filtered and rapidly switchable wavelengths can be provided for simultaneous excitation in special microscopic procedures such as Stimulated Emission Depletion (STED) or Coherent Anti-Stokes-Raman Scattering (CARS).

Alternativ oder zusätzlich kann das Mikroskop, wenn die erste und die zweite Strahlablenkvorrichtung in einem von der Oberfläche des Filters definierten ersten Halbraum angeordnet sind, eine zusätzliche variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtung, die in einem (von dem ersten Halbraum verschiedenen) zweiten Halbraum angeordnet ist, einen weiteren durchstimmbaren Laser, der (unmittelbar oder mittelbar) auf die zusätzliche Strahlablenkvorrichtung gerichtet ist, oder einen Farbteiler, der einen spektralen Teilbereich des ersten durchstimmbaren Lasers separiert und (unmittelbar oder mittelbar) auf die zusätzliche Strahlablenkvorrichtung lenkt, und einen Spiegel, der einen von der zusätzlichen Strahlablenkvorrichtung auf das Filter abgelenkten und dort reflektierten Lichtstrahl in seiner Richtung umkehrt und durch das Filter auf die zweite Strahlablenkvorrichtung reflektiert, umfassen. Auch diese Ausführungsform ermöglicht die simultane Bereitstellung von zwei unterschiedlichen, schnell umschaltbaren Anregungswellenlängen bei hocheffizienter Filterung. Bei Kombination mit einem Farbteiler wie im voranstehenden Absatz können auch drei unterschiedliche Anregungswellenlängen simultan bereitgestellt werden.Alternatively or additionally, if the first and the second beam deflecting device are arranged in a first half space defined by the surface of the filter, the microscope can have another variably adjustable beam deflecting device which is arranged in a second half space (different from the first half space) a tunable laser directed (directly or indirectly) to the additional beam deflector, or a color splitter separating a spectral portion of the first tunable laser and directing (directly or indirectly) to the additional beam deflector, and a mirror separating one of the additional beam deflectors Beam deflection device deflected on the filter and reflected there light beam in its direction and reflected by the filter on the second beam deflecting comprise. This embodiment also makes it possible to simultaneously provide two different, quickly switchable excitation wavelengths with highly efficient filtering. When combined with a color divider as in the previous paragraph, three different excitation wavelengths can be provided simultaneously.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen das Mikroskop als Lichtrastermikroskop mindestens eine weitere Strahlablenkvorrichtung zum Rastern des Lichtstrahls durch ein Sehfeld eines Objektivs des Lichtrastermikroskops umfasst, insbesondere mit Anordnung der weiteren Strahlablenkvorrichtung zwischen der Filtervorrichtung und dem Objektiv, insbesondere in einem gemeinsamen Abschnitt von Beleuchtungsstrahlengang und Detektionsstrahlengang, und/oder mit einer konfokalen Blende im Beleuchtungsstrahlengang und/oder mit einer konfokalen Blende im Detektionsstrahlengang. Der Lichtstrahl kann dabei im probenseitigen Fokus eine beliebige Querschnittsform, beispielsweise punktförmig oder linienförmig, aufweisen. Lichtrastermikroskope ermöglichen neben spektraler Bildgebung mit optischem Schneiden eine Vielzahl von korrelativen und manipulativen Untersuchungsmethoden, die beispielsweise bei Weitfeldmikroskopen nur begrenzt möglich sind. Zudem ist die Manipulation von Anregungs- und Detektionslicht im Lichtrastermikroskop deutlich einfacher möglich, weil in der Regel kein Bildfeld übertragen wird und sich diese Maßnahmen auf Strahlmanipulationen beschränken können. Particularly preferred embodiments are those in which the microscope as a light scanning microscope comprises at least one further beam deflecting device for scanning the light beam through a field of view of an objective of the scanning microscope, in particular with arrangement of the further beam deflecting device between the filter device and the objective, in particular in a common section of illumination beam path and detection beam path , and / or with a confocal aperture in the illumination beam path and / or with a confocal aperture in the detection beam path. In the sample-side focus, the light beam can have an arbitrary cross-sectional shape, for example punctiform or linear. In addition to spectral imaging with optical cutting, light-scanning microscopes enable a variety of correlative and manipulative examination methods, which are only limitedly possible, for example, in widefield microscopes. In addition, the manipulation of excitation and detection light in the light scanning microscope is much easier possible, because usually no image field is transmitted and these measures can be limited to blasting manipulations.

Vorteilhaft ist es zudem, wenn das Mikroskop Mittel zum Erzeugen mehrerer disjunkter (fokussierter) Beleuchtungsflecken im Fokus des Objektivs, die mittels der weiteren Strahlablenkvorrichtung simultan durch das Sehfeld rasterbar sind, umfasst. Mittels einer solchen Mehrfleckabtastung (engl. „multi-spot scanning”) kann die Aufnahme beschleunigt oder die Belastung der Probe reduziert werden. Die Beleuchtungsflecken können beliebige (vorzugsweise identische) Formen, beispielsweise (quasi-)punktförmig oder linienförmig, und beliebige (vorzugsweise regelmäßige) relative Anordnungen zueinander, beispielsweise matrixförmig, aufweisen.In addition, it is advantageous if the microscope comprises means for generating a plurality of disjoint (focused) illumination spots in the focus of the objective, which can be rastered simultaneously by the field of view by means of the further beam deflection device. By means of such a multi-spot scanning ("multi-spot scanning"), the recording can be accelerated or the load on the sample can be reduced. The illumination spots can have any (preferably identical) shapes, for example (quasi) punctiform or linear, and any (preferably regular) relative arrangements to one another, for example in the form of a matrix.

Das Verlaufsfilter kann als spektraler Langpass, Kurzpass, Bandpass, Bandsperre, Multi-Bandpass, Multi-Bandsperre oder als Kerbfilter ausgebildet sein. Diese Eigenschaften können in Transmission oder Reflexion vorliegen. Das Filter kann insbesondere mindestens einen Filterbereich aufweisen, der farbneutral und/oder polarisationsselektiv ist.The gradient filter can be designed as a spectral longpass, shortpass, bandpass, bandstop, multi-bandpass, multi-bandstop filter or notch filter. These properties may be in transmission or reflection. In particular, the filter can have at least one filter region which is color-neutral and / or polarization-selective.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betrieb eines Mikroskops, insbesondere wie oben beschrieben, mit einer Filtervorrichtung wie oben beschrieben und einem durchstimmbaren Laser, wobei eine Einstellung des durchstimmbaren Lasers und eine Einstellung der Strahlablenkvorrichtungen der Filtervorrichtung mittels einer Steuereinheit synchron, insbesondere simultan, durchgeführt werden.The invention also includes a method for operating a microscope, in particular as described above, with a filter device as described above and a tunable laser, wherein an adjustment of the tunable laser and an adjustment of the beam deflecting the filter device by means of a control unit synchronously, in particular simultaneously performed ,

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:

1 ein Lichtrastermikroskop mit einer ersten optischen Filtervorrichtung als flexiblem Hauptfarbteiler und einem einzelnen multispektralen Laser, 1 a light scanning microscope with a first optical filter device as a flexible main color splitter and a single multispectral laser,

2 ein Lichtrastermikroskop mit einer zweiten optischen Filtervorrichtung als flexiblem Hauptfarbteiler und einem einzelnen multispektralen Laser, 2 a light scanning microscope with a second optical filter device as a flexible main color splitter and a single multispectral laser,

3 ein Lichtrastermikroskop mit der zweiten optischen Filtervorrichtung als flexiblem Hauptfarbteiler und einem weiteren, statischen Hauptfarbteiler sowie einem durchstimmbaren Laser und mehreren statischen Lasern, 3 a light scanning microscope with the second optical filter device as a flexible main color splitter and a further main static color splitter and a tunable laser and a plurality of static lasers,

4 ein Lichtrastermikroskop mit einer dritten optischen Filtervorrichtung als flexiblem Hauptfarbteiler und zwei durchstimmbaren Lasern, 4 a light scanning microscope with a third optical filter device as a flexible main color splitter and two tunable lasers,

5 einen Ausschnitt aus den Strahlenverläufen eines weiteren Lichtrastermikroskops einschließlich abbildender Elemente, 5 a section of the ray trajectories of another light-scanning microscope including imaging elements,

6 einen Ausschnitt aus den Strahlenverläufen eines weiteren Lichtrastermikroskops einschließlich abbildender Elemente, 6 a section of the ray trajectories of another light-scanning microscope including imaging elements,

7 einen Ausschnitt aus den Strahlenverläufen eines weiteren Lichtrastermikroskops einschließlich abbildender Elemente, 7 a section of the ray trajectories of another light-scanning microscope including imaging elements,

8 einen Ausschnitt aus den Strahlenverläufen eines weiteren Lichtrastermikroskops einschließlich abbildender Elemente und 8th a section of the ray trajectories of another light scanning microscope including imaging elements and

9 einen Ausschnitt aus den Strahlenverläufen eines weiteren Lichtrastermikroskops einschließlich abbildender Elemente. 9 a section of the beam paths of another light scanning microscope including imaging elements.

In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, like parts bear like reference numerals.

1 zeigt in höchst schematischer Darstellung eine optische Filtervorrichtung 1 in einem Mikroskop 2 als Hauptfarbteiler HFT zur optischen Kopplung des Beleuchtungsstrahlengangs B, der einen durchstimmbaren Laser als Lichtquelle 3 umfasst, mit einem Detektionsstrahlengang D, der einen Detektor 4 umfasst. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind dabei keine abbildenden Elemente wie Linsen dargestellt. Die Filtervorrichtung 1 umfasst hier ein dichroitisches Verlaufsfilter 5 mit einer Vielzahl von spektral selektiven Bereichen mit beispielsweise unterschiedlichen Kurzpassfiltern, eine erste variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtung 6 in Form eines Galvanometerspiegels und eine zweite variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtung 7 in Form eines Galvanometerspiegels sowie nicht abgebildete Antriebe für die Strahlablenkvorrichtungen. Im Detektionsstrahlengang D sind außerdem eine konfokale Blende 8 und beispielsweise ein optionales Emissionsfilter 9 zur spektralen oder polarisationsoptischen Filterung angeordnet. 1 shows in highly schematic representation of an optical filter device 1 in a microscope 2 as a main color splitter HFT for the optical coupling of the illumination beam path B, the tunable laser as a light source 3 comprising, with a detection beam D, the one detector 4 includes. For reasons of clarity, no imaging elements such as lenses are shown. The filter device 1 here includes a dichroic gradient filter 5 with a plurality of spectrally selective areas with, for example, different short-pass filters, a first variably adjustable beam deflection device 6 in the form of a galvanometer mirror and a second variably adjustable Strahlablenkvorrichtung 7 in the form of a galvanometer mirror and not shown drives for the beam deflectors. In the detection beam D are also a confocal diaphragm 8th and for example an optional emission filter 9 arranged for spectral or polarization optical filtering.

In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) können die Ablenkvorrichtungen 6 und 7 jeweils beispielsweise als einzelne MEMS-Spiegel oder als AOD ausgebildet sein. Im Falle eines MEMS-Spiegels lässt sich dieser vorzugsweise über zwei in derselben Ebene liegende, orthogonale Achsen kippen. Um die Möglichkeiten von 2-achsig kippbaren Ablenkvorrichtungen 6/7 auszunutzen, können die spektral unterschiedlich selektiven Bereiche des Verlaufsfilters 5 in mehreren Spalten und Zeilen angeordnet sein. Mit der einen Scan-Richtung wird die Spalte gewählt, mit der anderen die Zeile. Dadurch ist es möglich, die spektrale Auflösung zu erhöhen und/oder unterschiedliche spektrale Eigenschaften in mehreren „Etagen” auf einem Filtersubstrat unterzubringen. Im Falle eines AOD ist anstelle eines Antriebs eine Treiberschaltung vorzusehen. In diesem Fall kann die hohe Geschwindigkeit akusto-optischer Scanner bei gleichzeitiger verbesserter Unterdrückung durch Filter vorteilhaft eingesetzt werden.In alternative embodiments (not shown), the deflection devices 6 and 7 each may be formed, for example, as a single MEMS mirror or as an AOD. In the case of a MEMS mirror, this can preferably be tilted over two orthogonal axes lying in the same plane. To the possibilities of 2-axis tiltable deflection devices 6 / 7 exploit the spectrally different selective areas of the gradient filter 5 be arranged in several columns and rows. With one scan direction, the column is selected, with the other the line. This makes it possible to increase the spectral resolution and / or to accommodate different spectral properties in several "floors" on a filter substrate. In the case of an AOD, a driver circuit should be provided instead of a drive. In this case, the high speed of acousto-optic scanners can be advantageously used with simultaneous improved filter suppression.

Das Verlaufsfilter 5 kann grundsätzlich alle von Interferenzfiltern bekannten spektralen Eigenschaften aufweisen. Anstelle eines Kurzpasses (KP) kann es als Langpass (LP), Bandpass (BP), Bandsperre (BS, bei sehr schmalen BS auch Kerbfilter genannt), Multi-Bandpass (MBP) und Multibandsperre (MBS) ausgelegt sein.The gradient filter 5 can basically have all the spectral properties known from interference filters. Instead of a short pass (KP), it can be designed as longpass (LP), bandpass (BP), bandstop (BS, also called notch filter in very narrow BS), multi-bandpass (MBP) and multiband-lock (MBS).

Das Emissionsfilter 9 kann beispielsweise als motorisiert verschiebbares Verlaufsfilter oder als wählbares Filter in einem motorisierten Filterrad ausgebildet sein. Insbesondere kann es auch als Multi-Bandpass ausgelegt sein, der spektral auf N Stellungen des Strahlablenkvorrichtungs-Paares 6 und 7 abgestimmt ist. Alternativ kann Filter 9 in Kombination mit Detektor 4 auch als spektral auflösende Vorrichtung ausgeführt sein.The emission filter 9 may for example be designed as a motorized sliding gradient filter or as a selectable filter in a motorized filter wheel. In particular, it can also be designed as a multi-bandpass, the spectral on N positions of the Strahlablenkvorrichtungspaares 6 and 7 is tuned. Alternatively, filters 9 in combination with detector 4 also be designed as a spectrally resolving device.

Der Laserstrahl, der zur Lumineszenzanregung in der Probe P dient, trifft zunächst auf den ersten Scan-Spiegel 6, welcher dazu in der Lage ist, die Schwerpunktrichtung des Laserstrahls nach der Reflexion innerhalb von wenigen Millisekunden gezielt zu verändern. Er dient dazu, den Laserstrahl gezielt an einer beliebigen Stelle eines Verlaufsfilters 5 auftreffen zu lassen. Der Verlaufsfilter 5 zeichnet sich dadurch aus, dass seine spektral selektive Eigenschaft räumlich variiert, was beispielsweise durch optische Interferenzschichten, deren Dicke sich kontinuierlich oder in kleinen Schritten ändert, erreicht wird. Idealer Weise verschieben sich bei Variation des Auftreffortes der zu filternden Strahlung nur die spektralen Filterkanten proportional oder zumindest monoton zum Ort. Das hier beispielhaft eingesetzte Verlaufsfilter 5 weist die von Interferenzfiltern bekannte Eigenschaft auf, dass die nicht transmittierte Strahlung nahezu vollständig reflektiert wird, so dass Absorption vernachlässigt werden kann.The laser beam, which serves to luminescence excitation in the sample P, first meets the first scan mirror 6 which is capable of selectively changing the direction of gravity of the laser beam after reflection within a few milliseconds. It serves to direct the laser beam at any point of a gradient filter 5 to let strike. The gradient filter 5 is characterized by the fact that its spectrally selective property varies spatially, which is achieved, for example, by optical interference layers whose thickness changes continuously or in small steps. Ideally, when the location of the radiation to be filtered varies, only the spectral filter edges shift in proportion or at least monotonically to the location. The gradient filter used here by way of example 5 has the well-known feature of interference filters that the non-transmitted radiation is almost completely reflected, so that absorption can be neglected.

Der Auftreffort des Laserstrahls auf dem Filter 5 wird mit Hilfe von Scanner 6 so eingestellt, dass die Laserstrahlwellenlänge knapp vor der spektralen Kante des Kurzpasses liegt, so dass der Laserstrahl weitgehend durch das Filter 5 transmittiert wird. Nachfolgend trifft der Laserstrahl auf den zweiten Scanner 7, welcher beispielsweise baugleich zu Scanner 6 ist. Scanner 7 dient dazu, die von Scanner 6 verursachte Richtungsänderung zu kompensieren, so dass der Laserstrahl nach der Reflexion an Scanner 7 stets die gleiche Ausbreitungsrichtung aufweist. Das Mikroskop 2 ist zur Ausbildung als Lichtrastermikroskop („LSM”) mit einer zusätzlichen variabel einstellbaren Strahlablenkvorrichtung 10 ausgerüstet, mittels derer der Anregungsfleck beispielsweise in zwei Dimensionen über die Probe P rasterbar ist. Danach wird der Laserstrahl zur Probe P geleitet.The location of the laser beam on the filter 5 is done with the help of scanner 6 adjusted so that the laser beam wavelength is just before the spectral edge of the short pass, so that the laser beam largely through the filter 5 is transmitted. Subsequently, the laser beam hits the second scanner 7 , which for example is identical to scanner 6 is. scanner 7 serves the purpose of scanner 6 compensate for directional change, causing the laser beam after reflection to scanner 7 always has the same propagation direction. The microscope 2 is for training as a light scanning microscope ("LSM") with an additional variably adjustable beam deflecting device 10 equipped, by means of which the excitation spot, for example, in two dimensions on the sample P is rasterbar. Thereafter, the laser beam is directed to the sample P.

Die von der Probe abgegebene Lumineszenzstrahlung, weist in der Regel eine größere Wellenlänge als die Laserstrahlung auf. Daher wird die Lumineszenzstrahlung nach der Umlenkung am LSM-Scanner 10 und am Scanner 7 vom Verlaufsfilter 5 reflektiert. Die konfokale Blende 8 dient zur Unterdrückung von außerfokaler Strahlung. Sie besteht beispielsweise aus einer Lochblende, kann aber (nicht abgebildet) auch aus einem Schlitz, einer Lochmatrix, einer Gitterblende oder einer noch komplexeren Transmissionsstruktur bestehen.The emitted by the sample luminescence, as a rule has a greater wavelength than the laser radiation. Therefore, the luminescence after the deflection at the LSM scanner 10 and on the scanner 7 from the gradient filter 5 reflected. The confocal aperture 8th serves to suppress extra-focal radiation. It consists for example of a pinhole, but can (not shown) also consist of a slot, a hole matrix, a grating aperture or an even more complex transmission structure.

Hinter der Konfokalblende 8 trifft die Lumineszenzstrahlung auf den photoempfindlichen Detektor 4, der beispielsweise als Photovervielfacher (engl. „photomultiplier”; PMT) ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann es sich um eine Photodiode (PD), eine Avalanche-Photodiode (APD) oder eine Kamera handeln.Behind the confocal aperture 8th meets the luminescence radiation on the photosensitive detector 4 , which is designed, for example, as a photomultiplier (PMT). Alternate embodiments (not shown) may be a photodiode (PD), an avalanche photodiode (APD), or a camera.

Die Funktion von Scanner 7 kann alternativ (nicht abgebildet) auch dadurch erreicht werden, dass der Laserstrahl ein weiteres Mal über Scanner 6 geleitet wird, wobei die Vorder- oder Rückseite von Scanner 6 verwendet werden kann. Dadurch kann ein Scanner eingespart werden, wobei sich aber im Gegenzug die Komplexität des optischen Aufbaus erhöhen kann.The function of scanner 7 can alternatively (not shown) can be achieved by the laser beam once again via scanner 6 is passed, with the front or back of scanner 6 can be used. As a result, a scanner can be saved, but in turn can increase the complexity of the optical structure.

In 2 ist wiederum in höchst schematischer Darstellung eine Ausführungsform abgebildet, bei der ein LP-Verlaufsfilter 5 (statt KP wie in 1) eingesetzt wird. Wiederum lenkt der erste Scanner 6 den vom Laser 3 kommenden Laserstrahl zunächst auf das Verlaufsfilter 5. Der Auftreffort des Laserstrahls wird mittels Scanner 6 so gewählt, dass die Laserstrahlwellenlänge knapp unterhalb der spektralen Kante des LP-Verlaufsfilters 5 liegt. Daher wird der Laserstrahl daran reflektiert und über den zweiten Scanner 7 über den zusätzlichen Scanner 10 zur Probe P geleitet. Im Gegensatz zu 1 wird hier die Lumineszenzstrahlung am Verlaufsfilter 5 transmittiert, bevor sie zum Detektor 4 gelangt. Im übrigen stimmen Aufbau und Funktionsweise mit 1 überein. Die abgebildete Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass von der Probe P oder von optischen Elementen, beispielsweise Objektivlinsen (nicht abgebildet) reflektiertes oder gestreutes Anregungslicht mit hoher Effizienz vom Verlaufsfilter 5 abgefangen wird und somit nicht zum Detektor 4 gelangt.In 2 is again shown in highly schematic representation of an embodiment in which an LP gradient filter 5 (instead of KP as in 1 ) is used. Again, the first scanner steers 6 that of the laser 3 next laser beam on the gradient filter 5 , The point of impact of the laser beam is determined by means of a scanner 6 chosen so that the Laser beam wavelength just below the spectral edge of the LP gradient filter 5 lies. Therefore, the laser beam is reflected therefrom and via the second scanner 7 about the additional scanner 10 passed to sample P. In contrast to 1 Here is the luminescence radiation at the gradient filter 5 transmitted before going to the detector 4 arrives. For the rest, structure and functionality are in line with the plan 1 match. The illustrated embodiment has the advantage that the excitation light reflected or scattered by the sample P or by optical elements, for example objective lenses (not shown), from the gradient filter is of high efficiency 5 is trapped and thus not to the detector 4 arrives.

3 zeigt – ebenfalls in höchst schematischer Darstellung – eine Ausführungsform wie 2, in der jedoch Anregungslaser verschiedener Wellenlängen, hier ein durchstimmbarer Laser 3 und mehrere statische Laser 3A, 3B bis 3N (N = C, D, E, ...), beliebig miteinander simultan kombiniert werden können. In diesen Fällen weisen die spektral selektiven Bereiche des Filters 5 anstelle von Langpass- oder Kurzpassfiltern spektral verschiedene Kerbfilter auf, wobei die spektrale Lage des Sperrbereiches mit der Position auf dem Filter 5 variiert. Der durchstimmbare Laser 3 wird dazu mittels erstem Scanner 6 auf diejenige Position auf dem Filter 5 gelenkt, an der dieser eine hohe Reflektivität für die am Laser 3 eingestellte Lichtwellenlänge aufweist. Somit wird Licht des durchstimmbaren Lasers 3 in Richtung Probe P zur Fluoreszenzanregung abgelenkt, wobei Scanner 7 wiederum der Auslenkung von Scanner 6 entgegenwirkt. Da aufgrund des schmalbandigen Sperrbereiches des ausgewählten Kerbfilters Licht größerer und geringerer Wellenlängen durch das Filter 5 transmittiert wird, kann gemäß dem Stand der Technik ein herkömmlicher Dichroit als weiterer Strahlteiler 11 die Laser 3A, 3B, 3N fester Wellenlänge auf den Beleuchtungsstrahlengang B auffädeln. Dies ist insbesondere für Manipulationsexperimente wie FRAP oder Freisetzung (engl. „uncaging”) von Vorteil, da Laser mit fester Wellenlänge im sichtbaren Teil des Spektrums in der Regel eine größere spektrale Leistungsdichte aufweisen. Dabei kann der weitere Strahlteiler 11 in einem Teilerrad (nicht abgebildet) angeordnet oder als verschiebbarer Verlaufsfilter oder als weitere Filtervorrichtung 1 ausgebildet sein. 3 shows - also in highly schematic representation - an embodiment such as 2 , in which, however, excitation lasers of different wavelengths, here a tunable laser 3 and several static lasers 3A . 3B to 3N (N = C, D, E, ...), can be combined with each other simultaneously. In these cases, the spectrally selective areas of the filter point 5 instead of long-pass or short-pass filters spectrally different notch filters on, with the spectral position of the stopband with the position on the filter 5 varied. The tunable laser 3 This is done by means of the first scanner 6 to the position on the filter 5 steered, at which this a high reflectivity for those at the laser 3 has set wavelength of light. Thus, light of the tunable laser 3 deflected toward sample P for fluorescence excitation, using scanners 7 turn the deflection of scanner 6 counteracts. Because of the narrow band stopband of the selected notch filter, light of larger and lesser wavelengths passes through the filter 5 According to the prior art, a conventional dichroic can be used as another beam splitter 11 the lasers 3A . 3B . 3N Thread fixed wavelength on the illumination beam B. This is particularly advantageous for manipulation experiments such as FRAP or uncaging since fixed wavelength lasers in the visible part of the spectrum generally have a greater spectral power density. In this case, the other beam splitter 11 arranged in a Teilerrad (not shown) or as a sliding gradient filter or as a further filter device 1 be educated.

Eine weitere Ausführungsform ist in 4 auf höchst schematische Weise dargestellt. Teilfigur 4B illustriert am Rand höchst schematisch die in Teilfigur 4A nicht erkennbare räumliche Dimension der Strahlengänge. Hierin werden zwei unabhängig voneinander durchstimmbare Laser 3, 12 auf den Beleuchtungsstrahlengang B aufgefädelt. Zu diesem Zweck weist die Filtervorrichtung 1 eine zusätzliche Strahlablenkvorrichtung 13 und eine weitere zweckmäßigerweise einstellbare Strahlablenkvorrichtung M auf. Mittels der Scanner 6 und 13 werden die beiden resultierenden Strahlen auf die den eingestellten Wellenlängen entsprechenden spektral selektiven Bereiche auf dem Filter 5 abgelenkt. Der Scanner 7 kompensiert die Auslenkung durch die Scanner 6 und 13 und lenkt das Beleuchtungslicht in Richtung zusätzlicher Scanner 10 ab. Die von der Probe P emittierte Fluoreszenz durchläuft auf dem entgegengesetzten Weg zweimal in verschiedenen spektral selektiven Bereichen das Filter 5 und wird danach der Detektionsanordnung 4 zugeführt, ohne noch einmal am Scanner 7 reflektiert zu werden, wobei das Filter 5 zum Auffädeln der von der gewählten Emissionswellenlänge des durchstimmbaren Lasers 3 verschiedenen Emissionswellenlänge des durchstimmbaren Lasers 12 durch Scanner 13 in zwei verschiedenen Ebenen genutzt wird. Deswegen sind zumindest Scanner 7 und Scanner 13 zur Strahlablenkung in zwei Dimensionen ausgebildet.Another embodiment is in 4 presented in the most schematic way. subfigure 4B illustrated on the edge very schematically the part in figure 4A unrecognizable spatial dimension of the beam paths. Here are two independently tunable laser 3 . 12 aufgefädelt on the illumination beam B. For this purpose, the filter device 1 an additional beam deflector 13 and another expediently adjustable beam deflecting device M on. Using the scanner 6 and 13 the two resulting beams are at the spectrally selective areas corresponding to the wavelengths set on the filter 5 distracted. The scanner 7 compensates the deflection by the scanner 6 and 13 and directs the illumination light toward additional scanner 10 from. The fluorescence emitted by sample P passes through the filter twice in different spectrally selective regions in the opposite way 5 and thereafter the detection arrangement 4 fed without once again on the scanner 7 to be reflected, with the filter 5 for threading the of the selected emission wavelength of the tunable laser 3 different emission wavelength of the tunable laser 12 through scanners 13 is used in two different levels. That's why there are at least scanners 7 and scanners 13 designed for beam deflection in two dimensions.

In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann der Laser mindestens zwei relevante, unabhängig voneinander einstellbare Wellenlängen emittieren, die mittels eines dichroitischen Strahlteilers voneinander separiert werden.In alternative embodiments (not shown), the laser may emit at least two relevant, independently adjustable wavelengths which are separated by a dichroic beam splitter.

Durch Einsatz von Abbildungsoptiken und Faltung der Strahlengänge mittels Planspiegeln und Retroreflektoren (nicht dargestellt) lassen sich die Anzahl der notwendigen Scanner in 1 bis 3 auf eins und in 4 auf zwei reduzieren. Zudem läßt sich durch eine Fokussierung der Lichtstrahlen auf den Verlaufsfilter die spektrale Auflösung der Anordnung erhöhen und die Größe des Filtersubstrates reduzieren.By using imaging optics and folding the beam paths by means of plane mirrors and retroreflectors (not shown), the number of necessary scanners in 1 to 3 to one and in 4 reduce to two. In addition, by focusing the light beams on the gradient filter, the spectral resolution of the arrangement can be increased and the size of the filter substrate can be reduced.

5 zeigt einen Ausschnitt aus den Strahlenverläufen in einem Mikroskop 2 mit einer Filtervorrichtung 1 im Detail. Es handelt sich um ein Mikroskop wie in 2 gezeigt, jedoch mit einer dritten variablen Strahlablenkvorrichtung 20 ausgestattet, um die durch den Scanner 7 verursachten Richtungsfehler im Detektionsstrahlengang D zu kompensieren. Die Scanner 6, 7 und 20 befinden sich in zueinander optisch konjugierten Ebenen. Der Scanner 7 wird beispielsweise mittels einer Linse 14 sowohl auf Scanner 6 als auch auf Scanner 20 abgebildet. Eine Fokussierung des Laserstrahls mittels einer beispielhaften Linse 15 vor dem Scanner 6 reduziert die Genauigkeitsanforderung auf dem Scanner 6 und hat den Vorteil, dass das konfokale Pinhole 8 ohne Zusatzoptik im „descannten” Strahl hinter Scanner 20 angeordnet sein kann. Ein Nachteil ist hier, dass das Verlaufsfilter 5 für verschiedene Anregungswellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln benutzt wird. Das bedingt im konvergenten Strahl einen spektral variierenden Astigmatismus. Um dies zu reduzieren, sind kleine Einfallswinkel am Verlaufsfilter 5 und eine geringe numerische Apertur der Fokussierung auf das Pinhole 8 vorteilhaft. Die Linse 21 kollimiert die durch die Anordnung propagierte Anregungsstrahlung, um die optische Schnittstelle 10 zur Anordnung der Strahlablenkvorrichtungen des Lichtrastermikroskops 2 bereitzustellen. 5 shows a section of the ray trajectories in a microscope 2 with a filter device 1 in detail. It is a microscope as in 2 but with a third variable beam deflector 20 equipped to pass through the scanner 7 caused direction errors in the detection beam D to compensate. The scanners 6 . 7 and 20 are in optically conjugate planes. The scanner 7 is for example by means of a lens 14 both on scanner 6 as well as on scanners 20 displayed. Focusing the laser beam by means of an exemplary lens 15 in front of the scanner 6 reduces the accuracy requirement on the scanner 6 and has the advantage that the confocal pinhole 8th without additional optics in the "descanned" beam behind the scanner 20 can be arranged. A disadvantage here is that the gradient filter 5 is used for different excitation wavelengths at different angles. This causes a spectrally varying astigmatism in the convergent beam. To reduce this, there are small angles of incidence on the gradient filter 5 and a small numerical aperture of the focus on the pinhole 8th advantageous. The Lens 21 The excitation radiation propagated through the array collimates to cause the optical interface 10 for arranging the beam deflecting devices of the light scanning microscope 2 provide.

In 6 ist eine 5 entsprechende Ausführungsform dargestellt, die jedoch mit Kollimationsoptiken 16, 17 und einer Dekollimationsoptik 18 ausgestattet ist, so dass jedes am Filter 5 auftreffende Lichtbündel kollimiert ist. Dadurch wird ein in 5 auftretender Astigmatismus vermieden.In 6 is a 5 corresponding embodiment shown, however, with collimating optics 16 . 17 and a decollimation optics 18 is equipped so that each filter 5 incident light beam is collimated. This will create an in 5 occurring astigmatism avoided.

7 zeigt beispielhaft, wie durch Faltung des Beleuchtungsstrahlenganges B die Anzahl der notwendigen Strahlablenkvorrichtungen reduziert werden kann. Scanner 6 stellt hier durch die Spiegelung am Filter 5 auch die Funktion der zweiten Strahlablenkvorrichtung (Scanner 7 in 6) bereit. Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang können wie abgebildet über den Strahlwinkel oder alternativ (nicht abgebildet) über den Strahlort in einer fourierinversen Ebene getrennt werden. 7 shows by way of example how the number of necessary beam deflection devices can be reduced by folding the illumination beam path B. scanner 6 represents here by the reflection on the filter 5 also the function of the second beam deflection device (scanner 7 in 6 ) ready. Illumination and detection beam paths can be separated via the beam angle as illustrated or alternatively (not shown) over the beam location in a fourier inverse plane.

In 8 ist dargestellt wie auf die dritte Strahlablenkvorrichtung (Scanner 20 in 6 und 7) verzichtet werden kann. Zu diesem Zweck wird der Scanner 6 direkt auf die konfokale Blende 8 abgebildet und ein zweidimensional ortsauflösender Detektor 4 eingesetzt. Mit einem 2D-Sensor 4 hinter der Blende 8 und können ohne dispersive Elemente verschiedene Elemente des Sensors ohne eine Ablenkungskompensation ausgelesen werden.In 8th is shown as the third beam deflector (scanner 20 in 6 and 7 ) can be omitted. For this purpose, the scanner 6 directly on the confocal aperture 8th imaged and a two-dimensional spatially resolving detector 4 used. With a 2D sensor 4 behind the aperture 8th and without dispersive elements, different elements of the sensor can be read out without a deflection compensation.

In einer erweiterten Ausführungsform kann eine spektral aufgelöste Detektion ohne „Descanning” des Detektionsstrahlenganges D realisiert werden, wenn Scanner 6 lediglich eine eindimensionale Abtastung durchführt und ein dispersives Element (nicht abgebildet) mit einer Dispersionsrichtung quer zu dieser Abtastrichtung vor dem Detektor 4 angeordnet ist. Die nutzbare Apertur des dispergierenden Elementes muss ausreichend groß sein, um die betreffenden Ablenkungsrichtungen des Scanners 6 aufnehmen zu können. Die resultierende dispergierte Abbildung ruht dann in der Sensorebene des Detektors 4. Für monofokale Bildgebung ist dann ein lineares Sensorarray als Detektor 4 ausreichend. Multifokale Bildgebung erfordert einen 2D-Sensor als Detektor 4. Der Vorteil einer solchen Anordnung ist die geringe Anzahl von Optiken und dadurch eine Erhöhung der Detektionsempfindlichkeit gegenüber dem Fluoreszenzsignal.In an extended embodiment, a spectrally resolved detection without "descanning" the detection beam path D can be realized when scanner 6 performs only a one-dimensional scan and a dispersive element (not shown) with a dispersion direction transverse to this scan direction in front of the detector 4 is arranged. The usable aperture of the dispersing element must be sufficiently large to accommodate the respective deflecting directions of the scanner 6 to be able to record. The resulting dispersed image then rests in the sensor plane of the detector 4 , For monofocal imaging, a linear sensor array is then used as the detector 4 sufficient. Multifocal imaging requires a 2D sensor as a detector 4 , The advantage of such an arrangement is the low number of optics and thereby an increase in the detection sensitivity to the fluorescent signal.

Schließlich zeigt 9 eine Ausführungsform mit Faltung wie in 7, in der ein Filter 5 mit einer hohen Dichte von spektral unterschiedlich selektiven Bereichen eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck sind Optiken 19 vorgesehen, welche den Querschnitt von auf das Filter 5 treffenden Lichtstrahlen verringern, indem sie diese auf das Filter 5 fokussieren beziehungsweise fokussierte Lichtstrahlen auf die Blende 8 abbilden. Der erste Scanner 6 wird dabei auf den dritten Scanner 20 abgebildet. Diese Ausführungsform kann auch ohne Faltung (nicht abgebildet) realisiert werden.Finally shows 9 an embodiment with folding as in 7 in which a filter 5 can be used with a high density of spectrally different selective areas. For this purpose are optics 19 provided which cross section of the filter 5 Reduce the incident light rays by placing them on the filter 5 focus or focused light rays on the aperture 8th depict. The first scanner 6 is doing on the third scanner 20 displayed. This embodiment can also be realized without folding (not shown).

Mit den oben beschriebenen Filtervorrichtungen als Hauptfarbteiler sind Verfahren wie schnelle Mehrfachverfolgung mit einem schnell umschaltbaren durchstimmbaren Laser möglich, wie zum Beispiel beschrieben in „High power ultra-widely tuneable femtosecond pulses from a non-collinear optical parametric oscillator (NOPO)” von Lang et al. in Optics Express 20 (2012), S. 912 , wobei eine saubere Trennung der Fluoreszenzsignale erfolgen kann und spektrales Übersprechen deutlich vermindert wird. Hierzu wird in einem entsprechenden Bildaufnahmeverfahren der Laser und der Hauptfarbteiler simultan angesteuert. Dabei ist beispielsweise eine Steuerung des Lasers durch den Hauptfarbteiler beziehungsweise dessen Steuereinheit und umgekehrt möglich. Durch die hohen erreichbaren Umschaltgeschwindigkeiten kann ein zeilenweises Multitracking erfolgen. Dies ist insbesondere bei dynamischen Proben wichtig, da in der Zeit zwischen zwei vollen Bildern (engl. „frames”) möglicherweise Veränderungen der Probe stattgefunden haben, die sonst in den aufgenommenen Bildern falsch interpretiert werden, beispielsweise im Rahmen einer Co-Lokalisationsanalyse.With the above-described filter devices as the main color splitter, methods such as rapid multi-tracking with a fast-switching, tunable laser are possible, as described, for example, in US Pat "High power ultra-wide tunable femtosecond pulses from a non-collinear optical parametric oscillator (NOPO)" by Lang et al. in Optics Express 20 (2012), p. 912 , wherein a clean separation of the fluorescence signals can be done and spectral crosstalk is significantly reduced. For this purpose, the laser and the main color splitter are controlled simultaneously in a corresponding image recording method. In this case, for example, a control of the laser by the main color splitter or its control unit and vice versa possible. Due to the high switching speeds that can be achieved, line-by-line multitracking is possible. This is particularly important for dynamic samples, as in the time between two full frames may have occurred changes in the sample, which are otherwise misinterpreted in the recorded images, for example in the context of a co-localization analysis.

Zudem kann der volle spektrale Bereich eines durchstimmbaren Lasers mit einer hohen spektralen Auflösung und damit einer nahezu kontinuierlichen Anpassung des spektralen Teilungsverhaltens genutzt werden. Das erlaubt zum Beispiel eine Feinabstimmung auf die bestmögliche spektrale Anregungs-/Emissionsposition für einen gegebenen Farbstoff. Dieses Maximum, welches nicht unbedingt im Anregungsmaximum des Farbstoffes liegen muss, kann aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit der Erfindung adaptiv beispielsweise mittels eines Rückkopplungsalgorithmus ermittelt werden. Hierzu wird an einer Stelle der Probe, welche die gesuchten Farbstoffe enthält, die Anregungswellenlänge in Kombination mit der zur Filterung genutzten Stelle auf dem Verlaufsfilter auf ein Maximum optimiert.In addition, the full spectral range of a tunable laser with a high spectral resolution and thus a nearly continuous adjustment of the spectral division behavior can be used. For example, this allows fine tuning to the best possible spectral excitation / emission position for a given dye. This maximum, which does not necessarily have to lie in the excitation maximum of the dye, can be determined adaptively, for example by means of a feedback algorithm, due to the high switching speed of the invention. For this purpose, the excitation wavelength in combination with the point used for filtering on the gradient filter is optimized to a maximum at one point of the sample containing the desired dyes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Filtervorrichtungfilter means
22
Mikroskopmicroscope
33
Lichtquellelight source
44
Detektordetector
55
Filterfilter
66
Erste variabel einstellbare StrahlablenkvorrichtungFirst variably adjustable beam deflection device
77
Zweite variabel einstellbare StrahlablenkvorrichtungSecond variably adjustable beam deflection device
88th
Konfokale BlendeConfocal aperture
99
Emissionsfilteremission filter
1010
Weitere StrahlablenkvorrichtungFurther beam deflecting device
11 11
Weiterer StrahlteilerAnother beam splitter
1212
Durchstimmbarer LaserTunable laser
1313
Zusätzliche StrahlablenkvorrichtungAdditional beam deflector
1414
Linselens
1515
Linselens
1616
Kollimationsoptikcollimating optics
1717
(De-)Kollimationsoptik(De-) collimating optics
1818
DekollimationsoptikDekollimationsoptik
1919
Sammeloptikcollection optics
2020
Dritte variabel einstellbare StrahlablenkvorrichtungThird variably adjustable beam deflection device
2121
Linselens
CC
Steuereinheitcontrol unit
BB
BeleuchtungsstrahlengangIllumination beam path
DD
DetektionsstrahlengangDetection beam path
HFTHFT
HauptfarbteilerMain color splitter
MM
Spiegel/StrahlablenkvorrichtungMirror / beam deflection
PP
Probesample

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 6167173 [0004, 0005] US 6167173 [0004, 0005]
  • US 2008/0062511 A1 [0005] US 2008/0062511 A1 [0005]
  • US 2010/188741 A1 [0008] US 2010/188741 A1 [0008]
  • US 2002/0097485 A1 [0009] US 2002/0097485 A1 [0009]
  • US 2008/062511 A1 [0010] US 2008/062511 A1 [0010]
  • DE 202008016287 U1 [0010] DE 202008016287 U1 [0010]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „High power ultra-widely tuneable femtosecond pulses from a non-collinear optical parametric oscillator (NOPO)” von Lang et al. in Optics Express 20 (2012), S. 912 [0068] "High power ultra-wide tunable femtosecond pulses from a non-collinear optical parametric oscillator (NOPO)" by Lang et al. in Optics Express 20 (2012), p. 912 [0068]

Claims (17)

Optische Filtervorrichtung (1), die ein Filter (5), insbesondere mit dichroitischen Schichten, umfasst, das parallel zu einer seiner Oberflächen angeordnete Bereiche mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften aufweist, insbesondere für Mikroskope (2), gekennzeichnet durch zwei variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtungen (6, 7), wobei ein auf die erste Strahlablenkvorrichtung (6) einfallender Lichtstrahl mittels der ersten Strahlablenkvorrichtung (6) auf unterschiedliche Bereiche des Filters (5) ablenkbar ist und das Filter (5) und die Strahlablenkvorrichtungen (6) so angeordnet sind, dass der zum Filter (5) abgelenkte und dort reflektierte oder transmittierte Lichtstrahl auf die zweite Strahlablenkvorrichtung (7) trifft.Optical filter device ( 1 ), which is a filter ( 5 ), in particular with dichroic layers, which has regions with different spectral filter properties arranged parallel to one of its surfaces, in particular for microscopes ( 2 ), characterized by two variably adjustable Strahlablenkvorrichtungen ( 6 . 7 ), wherein one on the first beam deflecting device ( 6 ) incident light beam by means of the first beam deflecting device ( 6 ) to different areas of the filter ( 5 ) is deflectable and the filter ( 5 ) and the beam deflecting devices ( 6 ) are arranged so that the filter ( 5 ) deflected and reflected there or transmitted light beam to the second beam deflecting device ( 7 ) meets. Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Filter und die Strahlablenkvorrichtungen so angeordnet sind, dass der am Filter reflektierte beziehungsweise durch das Filter transmittierte Lichtstrahl von der zweiten Strahlablenkvorrichtung so ablenkbar ist, dass er parallel, insbesondere koaxial, zum einfallendem Lichtstrahl verläuft.Filter device ( 1 ) according to claim 1, wherein the filter and the Strahlablenkvorrichtungen are arranged so that the filter is reflected or transmitted through the filter light beam from the second Strahlablenkvorrichtung deflected so that it runs parallel, in particular coaxial, to the incident light beam. Filtervorrichtung (1) nach Anspruch 2, umfassend eine Steuereinheit (C), die zur Einstellung der Strahlablenkvorrichtungen mit diesen verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die erste Strahlablenkvorrichtung in Abhängigkeit eines vorgebbaren oder vorgegebenen Parameters die erste Strahlablenkvorrichtung einzustellen und die zweite Strahlablenkvorrichtung zu einzustellen, dass sie den an dem Filter reflektierten beziehungsweise durch das Filter transmittierten Lichtstrahl so ablenkt, dass er parallel, insbesondere koaxial, zum einfallendem Lichtstrahl verläuft.Filter device ( 1 ) according to claim 2, comprising a control unit (C) which is connected to these for adjusting the beam deflecting devices and is adapted to set the first beam deflection device in response to a predeterminable or predetermined parameter and to set the second beam deflection device to control the first beam deflection device deflected at the filter or transmitted through the filter light beam deflects so that it runs parallel, in particular coaxial, to the incident light beam. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und/oder die zweite Strahlablenkvorrichtung ein Spiegel, insbesondere basierend auf einem mikroelektromechanischen System, oder ein akustooptisches Element, insbesondere ein akusto-optisch einstellbarer Deflektor, ist.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first and / or the second beam deflection device is a mirror, in particular based on a microelectromechanical system, or an acousto-optical element, in particular an acousto-optically adjustable deflector. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine, insbesondere beide, der Strahlablenkvorrichtungen um zwei verschiedene Achsen drehbar sind, insbesondere mit einer Lage dieser Achsen in einer Ebene, insbesondere mit zueinander orthogonalem Verlauf der Achsen.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one, in particular both, the beam deflecting devices are rotatable about two different axes, in particular with a position of these axes in a plane, in particular with mutually orthogonal course of the axes. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bereiche mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften zweidimensional parallel zur Oberfläche des Filters verteilt angeordnet sind.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the regions with different spectral filter properties are distributed two-dimensionally parallel to the surface of the filter. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Strahlablenkvorrichtung durch die erste Strahlablenkvorrichtung gebildet ist, insbesondere mit Anordnung eines Spiegels, insbesondere gebildet durch das Filter selbst, derart, dass er von der ersten Strahlablenkvorrichtung auf das Filter abgelenktes und daraufhin am Filter reflektiertes Licht echt parallel zu dem auf das Filter abgelenkten Licht zur ersten Strahlablenkvorrichtung reflektiert, und/oder mit Anordnung eines Retroreflektors derart, dass er von der ersten Strahlablenkvorrichtung auf das Filter abgelenktes und daraufhin durch das Filter transmittiertes Licht echt parallel zu dem auf das Filter abgelenkten Licht abseits des Filters oder durch einen farbneutralen Bereich des Filters zur ersten Strahlablenkvorrichtung reflektiert.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the second beam deflecting device is formed by the first beam deflecting device, in particular with a mirror, in particular formed by the filter itself, such that it realizes the light deflected by the first beam deflecting device onto the filter and subsequently reflected by the filter is reflected parallel to the light deflected onto the filter to the first beam deflection device, and / or with a retroreflector such that it deflects light deflected by the first beam deflecting device onto the filter and then transmitted through the filter, in real parallel to the light deflected onto the filter Filter or reflected by a color-neutral portion of the filter to the first beam deflecting device. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine dritte variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtung, die so angeordnet ist, dass diejenigen spektralen Anteile des von der ersten Strahlablenkvorrichtung her auf das Filter treffenden Lichtstrahls, die vom Filter nicht zur zweiten Strahlablenkvorrichtung gelangen, auf die dritte Strahlablenkvorrichtung treffen.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising a third variably adjustable Strahlablenkvorrichtung, which is arranged so that those spectral components of the light beam from the first Strahlablenkvorrichtung ago striking the filter, which do not pass from the filter to the second Strahlablenkvorrichtung encounter the third Strahlablenkvorrichtung. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei optisch zwischen der ersten Strahlablenkvorrichtung und dem Filter eine variabel einstellbare Hilfsstrahlablenkvorrichtung oder eine Kollimationsoptik angeordnet ist und/oder optisch zwischen der zweiten Strahlablenkvorrichtung und dem Filter eine weitere variabel einstellbare Hilfsstrahlablenkvorrichtung oder eine zur Kollimationsoptik invers wirkende Dekollimationsoptik angeordnet ist und/oder optisch zwischen der dritten Strahlablenkvorrichtung und dem Filter eine weitere variabel einstellbare Hilfsstrahlablenkvorrichtung oder eine zur Kollimationsoptik invers wirkende Dekollimationsoptik angeordnet ist.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein a variably adjustable Hilfsstrahlablenkvorrichtung or a Kollimationsoptik is optically arranged between the first beam deflecting device and / or optically between the second Strahlablenkvorrichtung and the filter another variably adjustable Hilfsstrahlablenkvorrichtung or a collimating optics inversely acting decollimation optics is arranged and / or optically arranged between the third beam deflecting device and the filter is a further variably adjustable auxiliary beam deflecting device or decollimating optics acting inversely to the collimation optics. Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Sammeloptik zum Verringern des Strahlquerschnitts auf dem Filter, insbesondere umfassend eine auf der entgegengesetzten Seite des Filters angeordnete Optik, zum Rückgängigmachen der fokussierenden Wirkung der Sammeloptik.Filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising collecting optics for reducing the beam cross section on the filter, in particular comprising optics arranged on the opposite side of the filter, for reversing the focusing effect of the collecting optics. Mikroskop mit einer optischen Filtervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere als – Hauptfarbteiler zur optischen Kopplung eines Beleuchtungsstrahlengangs, der eine Lichtquelle umfasst, und eines Detektionsstrahlengang, der einen optoelektronischen Detektor umfasst, wobei der vom Filter her auf die zweite Strahlablenkvorrichtung treffende Lichtstrahl mittels der zweiten Strahlablenkvorrichtung in ein Objektiv des Mikroskops, insbesondere durch eine Pupille des Objektivs, ablenkbar ist, – Anregungsfilter im Beleuchtungsstrahlengang, insbesondere außerhalb des Detektionsstrahlenganges, – Nebenfarbteiler im Detektionsstrahlengang, insbesondere außerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges, oder – Emissionsfilter im Detektionsstrahlengang, insbesondere außerhalb des Beleuchtungsstrahlenganges.Microscope with an optical filter device ( 1 ) according to one of the preceding claims, in particular as a main color splitter for optically coupling an illumination beam path comprising a light source and a detection beam path comprising an optoelectronic detector, the light beam striking the second beam deflection device from the filter being transformed into an objective by means of the second beam deflection device of the microscope, in particular by a pupil of the lens, is deflectable, - Excitation filter in the illumination beam path, in particular outside the detection beam path, - Secondary color splitter in the detection beam path, in particular outside the illumination beam path, or - Emission filter in the detection beam path, in particular outside the illumination beam path. Mikroskop nach Anspruch 11, umfassend einen durchstimmbaren Laser (3), der unmittelbar oder mittelbar auf die erste Strahlablenkvorrichtung der Filtervorrichtung gerichtet ist, insbesondere mit Ausbildung des Filters als Kerbfilter.Microscope according to claim 11, comprising a tunable laser ( 3 ), which is directed directly or indirectly to the first beam deflection device of the filter device, in particular with formation of the filter as a notch filter. Mikroskop nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend einen Farbteiler (11) und mindestens einen weiteren Laser (3A...3N), der auf den diesen Farbteiler (11) gerichtet ist, wobei der Farbteiler (11) so angeordnet ist, dass er Licht von dem weiteren Laser (3A...3N) zur zweiten Strahlablenkvorrichtung (7) reflektiert.Microscope according to the preceding claim, comprising a color splitter ( 11 ) and at least one other laser ( 3A ... 3N ), which on the this color divider ( 11 ), wherein the color divider ( 11 ) is arranged so that it receives light from the further laser ( 3A ... 3N ) to the second beam deflecting device ( 7 ) reflected. Mikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die erste und die zweite Strahlablenkvorrichtung in einem von der Oberfläche des Filters definierten ersten Halbraum angeordnet sind, umfassend – eine zusätzliche variabel einstellbare Strahlablenkvorrichtung (20), die in einem zweiten Halbraum angeordnet ist, – einen weiteren durchstimmbaren Laser, der unmittelbar oder mittelbar auf die zusätzliche Strahlablenkvorrichtung (20) gerichtet ist, oder einen Farbteiler, der einen spektralen Teilbereich des ersten durchstimmbaren Lasers separiert und unmittelbar oder mittelbar auf die zusätzliche Strahlablenkvorrichtung lenkt, und – einen Spiegel, der einen von der zusätzlichen Strahlablenkvorrichtung auf das Filter abgelenkten und dort reflektierten Lichtstrahl in seiner Richtung umkehrt und durch das Filter auf die zweite Strahlablenkvorrichtung reflektiert.Microscope according to one of claims 11 to 13, wherein the first and the second beam deflection device are arranged in a first half space defined by the surface of the filter, comprising - an additional variably adjustable beam deflection device ( 20 ), which is arranged in a second half space, - another tunable laser, which directly or indirectly to the additional beam deflecting device ( 20 ), or a color splitter which separates a spectral portion of the first tunable laser and directs it directly or indirectly to the additional beam deflecting device, and - a mirror which reverses in its direction a beam of light deflected and reflected by the additional beam deflecting device onto the filter and reflected by the filter onto the second beam deflecting device. Lichtrastermikroskop nach einem der Ansprüche 11 bis 14, umfassend mindestens eine weitere Strahlablenkvorrichtung (10) zum Rastern des Lichtstrahls durch ein Sehfeld eines Objektivs des Lichtrastermikroskops, insbesondere mit Anordnung der weiteren Strahlablenkvorrichtung zwischen der Filtervorrichtung und dem Objektiv, insbesondere in einem gemeinsamen Abschnitt von Beleuchtungsstrahlengang und Detektionsstrahlengang, und/oder mit einer konfokalen Blende im Beleuchtungsstrahlengang und/oder mit einer konfokalen Blende im Detektionsstrahlengang.Light scanning microscope according to one of claims 11 to 14, comprising at least one further beam deflecting device ( 10 ) for scanning the light beam through a field of view of an objective of the light scanning microscope, in particular with arrangement of the further beam deflecting device between the filter device and the objective, in particular in a common section of the illumination beam path and detection beam path, and / or with a confocal aperture in the illumination beam path and / or with a Confocal aperture in the detection beam path. Lichtrastermikroskop nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend Mittel zum Erzeugen mehrerer disjunkter Beleuchtungsflecken im Fokus des Objektivs, die mittels der weiteren Strahlablenkvorrichtung simultan durch das Sehfeld rasterbar sind.Scanning microscope according to the preceding claim, comprising means for generating a plurality of disjoint illumination spots in the focus of the objective, which can be rastered by means of the further beam deflection device simultaneously through the field of view. Verfahren zum Betrieb eines Mikroskops (2), insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 16, mit einer Filtervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einem durchstimmbaren Laser (3), wobei eine Einstellung des durchstimmbaren Lasers (3) und eine Einstellung der Strahlablenkvorrichtungen (6, 7) der Filtervorrichtung (1) mittels einer Steuereinheit (C) synchron, insbesondere simultan, durchgeführt werden.Method for operating a microscope ( 2 ), in particular according to one of claims 11 to 16, with a filter device ( 1 ) according to one of claims 1 to 10 and a tunable laser ( 3 ), wherein an adjustment of the tunable laser ( 3 ) and a setting of the beam deflecting devices ( 6 . 7 ) of the filter device ( 1 ) by means of a control unit (C) synchronously, in particular simultaneously performed.
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