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Dokumentenidentifikation DE102004049770A1 13.04.2006
Titel Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls
Anmelder Leica Microsystems CMS GmbH, 35578 Wetzlar, DE
Erfinder Knebel, Werner, Dr., 76709 Kronau, DE;
Burger, Gabriele, 69118 Heidelberg, DE
Vertreter Ullrich & Naumann, 69115 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 12.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004049770
Offenlegungstag 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls, mit einer Selektionseinrichtung und einer Detektionseinrichtung, wobei im Strahlengang zwischen der Selektionseinrichtung und der Detektionseinrichtung ein Mittel zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts (15) eines Mikroskops angeordnet ist, ist im Hinblick auf eine besonders hohe Dynamik derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Mittel einen Verlaufsfilter (41) aufweist. Des Weiteren ist ein Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop (10) mit einer Vorrichtung der obigen Art beansprucht.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls, mit einer Selektionseinrichtung und einer Detektionseinrichtung, wobei im Strahlengang zwischen der Selektionseinrichtung und der Detektionseinrichtung ein Mittel zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts eines Mikroskops angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop, mit einer derartigen Vorrichtung.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und sind beispielsweise in Form eines Spektraldetektors in der DE 101 02 033 A1 beschrieben. Aus der DE 101 02 033 A1 ist es insbesondere bekannt, vor einem Detektor der Detektionseinrichtung im Detektionsstrahlengang ein Mittel zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts eines Mikroskops anzuordnen. Dabei kann Licht einer Anregungswellenlänge unterdrückt werden, die von einem Laser erzeugt wird.

Es gibt nunmehr Anwendungen, bei denen die Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht mit den bekannten Mitteln nicht ausreichend ist. Trotz der Verwendung beispielsweise eines Spektraldetektors und eines AOBS, die gemeinsam eine Unterdrückung von Anregungswellenlängen um den Faktor 10–6 – Spektraldetektor 10–4 bis 10–5 und AOBS 10–2 – aufweisen, gelangt häufig noch soviel Reststreulicht der Anregungswellenlängen in den Spektraldetektor, das hierdurch die Dynamik, d.h. das S/N-Verhältnis oder Signal-Rausch-Verhältnis erheblich reduziert ist. Ein leistungsfähiger Bandpassfilter weist bereits eine Unterdrückung von 10–6 auf. In Kombination mit einem leistungsstarken dichroitischen Strahlteiler, der eine Resttransmission der Anregungswellenlänge von ca. 1% aufweist, erhält man somit eine Gesamtunterdrückung von ca. 10–8. Jedoch gerade für Proben, die nahe am Deckglas beobachtet werden und eine geringe Intensität des Anregungs- und/oder Reflexionslichts liefern, reicht die Restlichtunterdrückung mit Spektraldetektor und AOBS nicht aus, da beide Signale etwa die gleiche Größenordnung aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Mikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, wonach eine besonders hohe Dynamik mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert ist.

Die voranstehende Aufgabe ist durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Vorrichtung derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Mittel einen Verlaufsfilter aufweist.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass durch die Verwendung eines besonderen Filters eine besonders hohe Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts erreichbar ist. Hierzu ist im Konkreten in weiter erfindungsgemäßer Weise das Mittel zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht derart ausgestaltet, dass das Mittel einen Verlaufsfilter aufweist. Mit einem Verlaufsfilter ist eine besonders genaue Anpassung an zu unterdrückende Wellenlängen und Bandbreiten von Wellenlängen ermöglicht. Damit können auch Proben sicher untersucht werden, die nahe am Deckglas beobachtet werden und eine geringe Intensität des Anregungs- und/oder Reflexionslichts liefern.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vorrichtung angegeben, bei der eine besonders hohe Dynamik mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert ist.

Im Hinblick auf eine besonders einfache Positionierung bei gleichzeitig hoher Wirksamkeit des Verlaufsfilters könnte der Verlaufsfilter zwischen einem Spiegelschieber und einem Detektor der Detektionseinrichtung angeordnet sein. Hierbei ist eine besonders sichere Unterdrückung der Anregungswellenlänge oder der Anregungswellenlängen realisiert. Im Konkreten könnte der Verlaufsfilter in einem Multibanddetektor zwischen dem Spiegelschieber und einem Photomultiplier angeordnet sein.

Hinsichtlich eines vielfältigen Einsatzes des Verlaufsfilters könnte der Verlaufsfilter Langpassfilter mit unterschiedlichen Charakteristika aufweisen. Mit anderen Worten könnten verschiedene Langpassfilter in den Verlaufsfilter integriert sein. Hierdurch könnte beispielsweise einem oder mehreren Kanälen oder sämtlichen Kanälen eines Detektors oder Photomultipliers jeweils einzelne Filter in Form beispielsweise der Langpassfilter zugeordnet werden. Hierdurch ist eine besonders sichere und individuelle Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht ermöglicht.

Zur Gewährleistung einer besonders hohen Flexibilität und eines besonders hohen Maßes der Anpassbarkeit an die Art der vorliegenden spektralen Aufspaltung könnten die Langpassfilter austauschbar sein. Hierdurch ist eine individuelle und auf den jeweiligen Einsatzfall abstimmbare Ausgestaltung des Verlaufsfilters ermöglicht.

Verlaufsfilter werden beispielsweise von der Ocean Optics kommerziell angeboten, die dort als LVF-H High-Pass Filter angeboten werden. Hierbei handelt es sich um linear variable Filter.

Im Konkreten könnte der Verlaufsfilter derart aufgebaut sein, dass die Langpassfilter hintereinander angeordnet sind. In konstruktiv besonders einfacher und kompakter Weise könnten die Langpassfilter auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein. Hierdurch wäre eine einfache Handhabbarkeit des gesamten Verlaufsfilters realisiert.

Die Selektionseinrichtung einer Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls weist üblicherweise ein spektral aufspaltendes Element auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Gitter oder um ein Prisma handeln. Hinsichtlich einer besonders wirkungsvollen Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht könnte der Verlaufsfilter eine Filterstruktur aufweisen, die im Wesentlichen und vorzugsweise genau der spektralen Aufspaltung eines spektral aufspaltenden Elements der Selektionseinrichtung – vorzugsweise an der Position des Verlaufsfilters – entspricht oder an diese angepasst ist. Mit anderen Worten liegt hier eine vorzugsweise exakte Abstimmung des Verlaufsfilters auf das spektral aufspaltende Element vor.

Insbesondere im Fall eines linear aufspaltenden Elements der Selektionseinrichtung könnte die Filterstruktur des Verlaufsfilters an die Segmente eines Zeilendetektors der Detektionseinrichtung derart angepasst sein, dass immer nur ein genau vorgebbarer spektraler Anteil auf das Zeilensegment auftrifft. Jegliches Streulicht oder Reflexionslicht wäre dabei unterdrückt. Im Konkreten könnte dies bei einem als linear aufspaltendes Element dienenden Gitter in Verbindung mit einem Mehranoden-Photomultiplier erfolgen.

Im Falle eines nicht linear aufspaltenden Elements, beispielsweise ein Prisma, könnte die Filterstruktur des Verlaufsfilters auch an dieses nicht linear aufspaltende Element der Selektionseinrichtung angepasst sein. Der erfindungsgemäße Verlaufsfilter weist die entsprechende Variabilität auf, die eine Anpassung an sowohl linear als auch an nicht linear aufspaltende Elemente ermöglicht.

Bei einer konkreten Ausgestaltung könnte die Detektionseinrichtung einen Photomultiplier aufweisen, der als Mehranoden- oder Mehrkanal-Photomultiplier ausgebildet sein könnte.

Der Verlaufsfilter oder die Verlaufsfilter könnten stationär vor dem Photomultiplier nahe der Fokuslinie angeordnet sein. Der Verlaufsfilter oder die Verlaufsfilter müssen nicht mehr verschoben werden, wenn sie zusammen mit einem Spiegelschieber oder Spiegelschiebern kalibriert worden sind.

Zur Abbildung der Spektralbereiche auf den oder die Verlaufsfilter oder auf die Detektionseinrichtung könnten Mikrolinsen verwendet werden.

Die obige Aufgabe wird ebenfalls durch ein Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 gelöst. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Mikroskops bezüglich der Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehende Beschreibung verwiesen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Vorrichtung realisiert, bei der die Dynamik deutlich erhöht ist. Störendes Streulicht und Reflexionslicht wird signifikant unterdrückt. Dabei werden die erfindungsgemäß eingesetzten Verlaufsfilter auch als Graded Index Filter bezeichnet.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in einer schematischen Darstellung ein Scanmikroskop mit einem Mittel zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts,

2 in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls,

3 in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls, wobei die Vorrichtung in einem Scanmikroskop angeordnet ist,

4a in einer schematischen Darstellung die Anordnung eines Verlaufsfilters bei einem linear aufspaltenden Gitter und

4b in einer schematischen Darstellung die Anordnung eines Verlaufsfilters bei einem nicht linear aufspaltenden Prisma.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Scanmikroskop 10 mit einer Lichtquelle 1, die als Laser ausgebildet ist. Der durch den Laser erzeugte Beleuchtungslichtstrahl 15 wird durch ein Beleuchtungspinhole 12 über einen dichroitischen Strahlteiler 5 zu einem Scanmodul 29 geführt, das einen kardanisch aufgehängten Scanspiegel 31 aufweist, der den Beleuchtungslichtstrahl 15 über eine Scanoptik 33, die Optik 35 und durch die Mikroskopoptik 37 hindurch über bzw. durch eine Probe 39 führt. Das von der Probe ausgehende Licht 43 definiert einen Beobachtungsstrahlengang 17 und gelangt durch die Mikroskopoptik 37 und über das Scanmodul 29 zum dichroitischen Strahlteiler 5, passiert diesen und trifft auf einen Detektor 3 der als einzelner Photomultiplier ausgeführt ist. Dabei passiert das Licht 43 ein Detektionspinhole 19 und eine Optik 8. Vor dem Detektor 3 ist ein Mittel 40 zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht angeordnet.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls. Das Licht 43 wird mit einer nicht dargestellten Optik auf ein Element 22 zum spektralen Auffächern abgebildet. Das Element 22 ist durch ein Prisma gebildet. Der aufgefächerte Lichtstrahl 24 trifft über ein Fokussiermittel 26 auf eine Spaltdetektoranordnung 50. Die Spaltdetektoranordnung 50 wird zur Detektion zweier Spektralbereiche des aufgefächerten Lichtstrahls 24 verwendet. Hierzu ist eine Selektionseinrichtung 44 und eine Detektionseinrichtung 46 vorgesehen. Die Selektionseinrichtung 44 umfasst Mittel 45 zum Ausblenden eines ersten Spektralbereichs und andererseits zur Reflexion zumindest eines Teils 45b des nicht ausgeblendeten Spektralbereichs. Die Detektionseinrichtung 46 weist einen im Strahlengang des ausgeblendeten ersten Spektralbereichs angeordneten ersten Detektor 47 und einen im Strahlengang des reflektierten Teils 45b des Spektralbereichs angeordneten zweiten Detektor 48 auf.

2 zeigt des Weiteren, dass vor dem zweiten Detektor 48 eine Blende 42 vorgesehen ist, mit der ein weiterer Teil des reflektierten Teils 45b des Spektralbereichs 45b ausgewählt werden kann, bevor er auf den zweiten Detektor 48 gelangt. Die Mittel 45 zum Ausblenden sind jeweils als Spaltblende ausgeführt, wobei zur Reflexion zumindest eines Teils des nicht ausgeblendeten Spektralbereichs auf einer dem einfallenden Licht zugewandten Oberfläche jeweils eine totalreflektierende Beschichtung 49 vorgesehen ist. Die Mittel 45 zum Ausblenden können zur Realisierung eines Spiegelschiebers 45 in die durch die Doppelpfeile in 2 angedeuteten Richtungen mechanisch verschoben werden, um somit einen gewünschten Spektralbereich für die Untersuchung auszuwählen. Der Verlaufsfilter ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen dem ersten Detektor 47 und dem Mittel 45 zum Ausblenden des ersten Spektralbereichs angeordnet.

3 zeigt das Scanmikroskop 10 aus 1 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche eines Lichtstrahls 43. Die Vorrichtung weist ein Element 22 zum spektralen Auffächern in Form eines Prismas auf. Der aufgefächerte Lichtstrahl 24 wird über ein Fokussiermittel 26 auf den Verlaufsfilter 41 abgebildet, der auf einem Mehrkanalphotomultiplier 28 angeordnet ist.

4a zeigt in einer schematischen Darstellung die Kombination des Verlaufsfilters 41 mit einem Gitter, das eine lineare Aufspaltung des von der Probe ausgehenden Lichts erzeugt.

4b zeigt in einer schematischen Darstellung die Kombination eines Verlaufsfilters 41 mit einem eine nicht lineare Aufspaltung liefernden Prisma.

Sowohl bei einer linearen Aufspaltung als auch bei einer nicht linearen Aufspaltung kann die Filterstruktur des Verlaufsfilters 41 derart ausgebildet sein, dass hier eine exakte Anpassung an die jeweilige spektrale Aufspaltung vorliegt. Der Dispersionsverlauf der Aufspaltung kann durch den Verlaufsfilter 41 abgebildet werden. Mit anderen Worten ist die Auswahl und Anordnung unterschiedlicher Langpassfilter derart realisierbar, dass mit den einzelnen Langpassfiltern eine Abstimmung auf einzelne Spektralbereiche des aufgespaltenen Lichts vorliegt. Hierdurch ist eine besonders wirksame Restlichtunterdrückung erreicht.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Mikroskops wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Selektion und Detektion mindestens zweier Spektralbereiche (45b) eines Lichtstrahls (43), mit einer Selektionseinrichtung (44) und einer Detektionseinrichtung (46), wobei im Strahlengang zwischen der Selektionseinrichtung (44) und der Detektionseinrichtung (46) ein Mittel (40) zur Unterdrückung von Reflexions- und/oder Streulicht eines Beleuchtungslichts (15) eines Mikroskops angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (40) einen Verlaufsfilter (41) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsfilter (41) zwischen einem Spiegelschieber (45) und einem Detektor (47, 28) der Detektionseinrichtung (46) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsfilter (41) Langpassfilter mit unterschiedlichen Charakteristika aufweist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Langpassfilter austauschbar sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Langpassfilter hintereinander angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Langpassfilter auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlaufsfilter (41) eine Filterstruktur aufweist, die im Wesentlichen und vorzugsweise genau der spektralen Aufspaltung eines spektral aufspaltenden Elements (22) der Selektionseinrichtung (44) – vorzugsweise an der Position des Verlaufsfilters (41) – entspricht oder an diese angepasst ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – insbesondere im Fall eines linear aufspaltenden Elements der Selektionseinrichtung (44) – die Filterstruktur des Verlaufsfilters (41) an die Segmente eines Zeilendetektors der Detektionseinrichtung (46) derart angepasst ist, dass immer nur genau ein vorgebbarer spektraler Anteil auf das Zeilensegment auftrifft.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das linear aufspaltende Element ein Gitter ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur des Verlaufsfilters (41) an ein nicht linear aufspaltendes Element (22) der Selektionseinrichtung (44) angepasst ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht linear aufspaltende Element ein Prisma ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (46) einen Photomultiplier aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Photomultiplier ein Mehranoden- oder Mehrkanal-Photomultiplier (28) ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung der Spektralbereiche (45b) auf den Verlaufsfilter (41) oder auf die Detektionseinrichtung (46) Mikrolinsen vorgesehen sind.
  15. Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop (10), mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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