DE102014008098A1 - Spectrally flexible, fast-switching optical filter device - Google Patents
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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
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
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
Des weiteren wird in
Eine stärkere Unterdrückung ermöglicht die in
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
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:
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, like parts bear like reference numerals.
In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) können die Ablenkvorrichtungen
Das Verlaufsfilter
Das Emissionsfilter
Der Laserstrahl, der zur Lumineszenzanregung in der Probe P dient, trifft zunächst auf den ersten Scan-Spiegel
Der Auftreffort des Laserstrahls auf dem Filter
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
Hinter der Konfokalblende
Die Funktion von Scanner
In
Eine weitere Ausführungsform ist in
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
In
In
In einer erweiterten Ausführungsform kann eine spektral aufgelöste Detektion ohne „Descanning” des Detektionsstrahlenganges D realisiert werden, wenn Scanner
Schließlich zeigt
Mit den oben beschriebenen Filtervorrichtungen als Hauptfarbteiler sind Verfahren wie schnelle Mehrfachverfolgung mit einem schnell umschaltbaren durchstimmbaren Laser möglich, wie zum Beispiel beschrieben in
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
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- US 2008/0062511 A1 [0005] US 2008/0062511 A1 [0005]
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- 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)
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"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 |
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