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Dokumentenidentifikation DE102004055321A1 18.05.2006
Titel Optische Anordnung für ein Mikroskop und ein Mikroskop
Anmelder Leica Microsystems CMS GmbH, 35578 Wetzlar, DE
Erfinder Riedmann, Jürgen, 67376 Harthausen, DE;
Schreiber, Frank, 69221 Dossenheim, DE
Vertreter Ullrich & Naumann, 69115 Heidelberg
DE-Anmeldedatum 16.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004055321
Offenlegungstag 18.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.05.2006
IPC-Hauptklasse G02B 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Eine optische Anordnung für ein Mikroskop, insbesondere für ein Scanmikroskop, mit einem in einem Strahlengang angeordneten Objektiv (MO) ist im Hinblick auf eine hohe Auflösung auch bei Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen derart ausgestaltet und weitergebildet, dass in dem Strahlengang vor dem Objektiv (MO) ein optisches Bauteil zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Strahlendurchmessers oder der Divergenz des den Strahlengang erzeugenden Lichts angeordnet ist. Des Weiteren ist ein Mikroskop mit einer derartigen optischen Anordnung angegeben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für ein Mikroskop, insbesondere für ein Scanmikroskop, mit einem in einem Strahlengang angeordneten Objektiv.

Optische Anordnungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichen Ausführungsformen. Beispielsweise findet sich eine derartige Anordnung in einem Scanmikroskop und insbesondere in einem konfokalen Laser-Scanmikroskop wieder. Bei derartigen Mikroskopen wird mittels eines Lasers ein Anregungslicht bestimmter Wellenlänge erzeugt, das über eine Optik einem Objektiv zugeführt wird. Mittels des Objektivs wird das Licht auf eine zu untersuchende Probe abgebildet. Bei der Scanmikroskopie gibt es Anwendungen, bei denen Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zur Probe geführt wird.

Bei den bekannten optischen Anordnungen und Mikroskopen ist jedoch problematisch, dass je nach Wellenlänge des Anregungslichts oder Lichts unterschiedliche Durchmesser des Airy-Scheibchens in der Probe erzeugt werden. Dies führt zu unterschiedlichen Auflösungen eines Scanmikroskops bei verschiedenen Wellenlängen des Anregungslichts oder Lichts. Vor allem bei FCS-Anwendungen führt dies zu Problemen bei der Auswertung der gemessenen Daten. Bei den bekannten optischen Anordnungen wird diese Problematik der unterschiedlichen Größen des Airy-Scheibchens bei unterschiedlichen Wellenlängen ignoriert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung für ein Mikroskop und ein Mikroskop anzugeben, wonach eine hohe Auflösung auch bei Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine optische Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die optische Anordnung der Eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass in dem Strahlengang vor dem Objektiv ein optisches Bauteil zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Strahldurchmessers oder der Divergenz des den Strahlengang erzeugenden Lichts angeordnet ist.

In einem ersten erfinderischen Schritt ist bereits erkannt worden, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu unterschiedlichen Durchmessern des jeweiligen Airy-Scheibchens in der Probe führt, was wiederum unterschiedliche Auflösungen bei unterschiedlichen Wellenlängen des Anregungslichts in einem Mikroskop zur Folge hat. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist die optische Anordnung durch ein optisches Bauteil im Strahlengang vor dem Objektiv ergänzt, das den Strahldurchmesser oder die Divergenz des Lichts wellenlängenabhängig beeinflusst. Durch die wellenlängenabhängige Beeinflussung des Strahldurchmessers kann direkter Einfluss auf den Durchmesser des Airy-Scheibchens in der Probe ausgeübt werden. Dabei ist von Bedeutung, dass jedes selbstleuchtende punktförmige Objekt als ein Airy-Scheibchen abgebildet wird und dass der Umfang der Ausleuchtung des Objektivs den Radius des Airy-Scheibchens über die Größe der erzeugten numerischen Apertur direkt beeinflusst. Mit der Möglichkeit der wellenlängenabhängigen Ausleuchtung des Objektivs besteht somit die Möglichkeit, den Radius und damit die Größe des Airy-Scheibchens für alle Wellenlängen konstant zu halten. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, die Auflösung auch für Licht unterschiedlicher Wellenlängen auf hohem Niveau konstant zu halten.

Folglich ist mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung eine optische Anordnung angegeben, bei der eine hohe Auflösung auch bei Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen mit konstruktiv einfachen Mitteln realisiert ist.

Im Konkreten könnte die Beeinflussung derart realisiert sein, dass der Strahldurchmesser des Lichts vorzugsweise im Objektiv und weiter vorzugsweise in der Pupille des Objektivs im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Lichts ist, so dass das Airy-Scheibchen in einer Probe bei allen Wellenlängen des Lichts den gleichen Durchmesser hat. Durch die Proportionalität des Strahldurchmessers des Lichts zur Wellenlänge des Lichts kann folglich eine hohe Auflösung bei allen Wellenlängen des Lichts in einem Mikroskop aufrechterhalten werden.

Bei einer weiter konkreten Ausführung könnte die optische Anordnung derart ausgebildet sein, dass die numerische Apertur des durch das Objektiv erzeugten Beleuchtungskegels im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Lichts ist. Hierdurch ist der Radius des Airy-Scheibchens in der Probe konstant gehalten, da der Radius des Airy-Scheibchens proportional zu dem Quotienten aus Wellenlänge und numerischer Apertur ist. D.h., wenn die numerische Apertur proportional mit der Wellenlänge des Anregungslichts oder Lichts anwächst, bleibt der Radius des Airy-Scheibchens konstant. Dabei ist weiterhin berücksichtigt, dass die numerische Apertur bei gegebenem Brechungsindex proportional zum Sinus des Öffnungswinkels des Beleuchtungskegels ist. NA = n·sin(u), wobei NA die numerische Apertur ist, n der Brechungsindex ist und u der größtmögliche Winkel zwischen einem Lichtstrahl und der optischen Achse ist, bei welchem der Lichtstrahl noch durch die Linse oder das Objektiv gesammelt werden kann. Dabei ist weiter berücksichtigt, dass für kleine Winkel der Sinus gleich dem Tangens ist. Es gilt für den Radius r des Airy-Scheibchens, die Wellenlänge &lgr; und die numerische Apertur NA: r ~ &lgr;/NA.

Bei einer konstruktiv besonders einfachen Ausführung könnte das optische Bauteil im Strahlengang hinter einer variablen Blende, vorzugsweise Lochblende, angeordnet sein. Dabei könnte die Blende in Abhängigkeit vom Objektiv in Kombination mit dem optischen Bauteil derart einstellbar sein, dass die Ausleuchtung der Pupille des Objektivs hinsichtlich der beiden Parameter Auflösung und Lichtverlust einen vorgebbaren Kompromiss darstellt. Dabei kann eine Anpassung an unterschiedliche Qualitätsanforderungen bei unterschiedlichen Messungen und Anwendungen in einem Mikroskop erfolgen.

Im Hinblick auf eine besonders vielseitige Verwendbarkeit der optischen Anordnung könnte das optische Bauteil schaltbar aus dem Strahlengang entfernbar sein. Beispielsweise könnte das optische Bauteil nur dann in den Strahlengang eingefügt sein, wenn Anregungslicht oder Licht unterschiedlicher Wellenlängen vorliegt. Bei Anregungslicht mit nur einer Wellenlänge könnte das optische Bauteil aus dem Strahlengang entfernt sein.

In konstruktiv besonders einfacher Weise könnte das optische Bauteil einen vorzugsweise wellenlängenabhängigen Strahlaufweiter aufweisen. Je nach Wellenlänge ist dann ein unterschiedlicher Strahldurchmesser erreichbar, der zu einer unterschiedlichen Ausleuchtung des Objektivs führen könnte.

In weiter konstruktiv einfacher Weise könnte der Strahlaufweiter zwei Linsen oder Linsensysteme aufweisen, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe ihrer jeweiligen Brennweiten entspricht. Hierdurch ist eine besonders einfache und sichere wellenlängenabhängige Strahlaufweitung realisiert.

Im Konkreten könnte die Brennweite der ersten Linse oder des ersten Linsensystems mit der Wellenlänge des Anregungslichts oder Lichts zunehmen, wobei im Gegenzug die Brennweite der zweiten Linse oder des zweiten Linsensystems mit der Wellenlänge des Anregungslichts oder Lichts abnehmen könnte. Dabei könnte weiterhin realisiert sein, dass die Zunahme der Brennweite der ersten Linse oder des ersten Linsensystems mit der Wellenlänge des Anregungslichts oder Lichts im gleichen Maß realisiert ist wie die Abnahme der Brennweite der zweiten Linse oder des zweiten Linsensystems mit der Wellenlänge des Anregungslichts oder Lichts. Hierdurch ist eine besonders sichere Strahlaufweitung und Ausleuchtung des Objektivs dahingehend realisiert, dass die numerische Apertur des durch das Objektiv erzeugten Beleuchtungskegels im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Lichts oder Anregungslichts ist. Im Ergebnis bleibt der Radius des Airy-Scheibchens auch bei Vorliegen unterschiedlicher Wellenlängen konstant.

In weiter vorteilhafter Weise könnte das optische Bauteil eine Kollimationseinrichtung aufweisen. Hierdurch könnten Divergenzen des Lichts im Hinblick auf eine geeignete Strahlführung zum Objektiv ausgeglichen werden.

Mit dem gemäß Patentanspruch 13 beanspruchten Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop, ist ein Mikroskop beansprucht, das eine optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist. Insoweit wird hinsichtlich der gemäß den Patentansprüchen 1 bis 12 erläuterten Ausgestaltung und deren Vorteile zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehende Beschreibung verwiesen.

Mit der erfindungsgemäßen optischen Anordnung ist eine Anpassung der numerischen Apertur des Lichts oder Anregungslichts in einem Scanmikroskop an die Wellenlänge ermöglicht, wobei hierdurch für jede Wellenlänge die gleiche Anregungs-PSF – Point Spread Function – oder Größe des Airy-Scheibchens erreichbar ist. Durch unterschiedliche Auflösungen bei verschiedenen Anregungswellenlängen erzeugte Probleme im Rahmen der Auswertung gemessener Daten bei FCS-Anwendungen sind hierdurch beseitigt.

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 Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in einer schematischen Darstellung eine herkömmliche optische Anordnung für ein Mikroskop,

2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung für ein Mikroskop und

3 in einer schematischen Darstellung drei Varianten der Anpassung des Anregungslichts.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine herkömmliche optische Anordnung für ein Mikroskop mit einem in einem Strahlengang angeordneten Mikroskopobjektiv MO. Im Strahlengang vor dem Mikroskopobjektiv MO ist die Optik eines konfokalen Laser-Scanmikroskops (CLSM) angeordnet. Das Anregungslicht oder Beleuchtungslicht weist für alle Farben oder Wellenlängen die gleichen Strahlparameter auf. Dies hat zur Folge, dass die Airy-Scheibe einen farbabhängigen oder wellenlängenabhängigen Durchmesser aufweist. Mit anderen Worten ist der Radius r proportional zur Wellenlänge lambda.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lehre, wobei das Anregungslicht oder Licht farbabhängige Strahlparameter aufweist. Mit anderen Worten ist der Durchmesser des Lichts wellenlängenabhängig. Dies ist durch die unterschiedlichen Schattierungen im Strahlengang angedeutet, wobei unterschiedliche Schattierungen unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen. Diese wellenlängenabhängigen Strahlparameter sind das Ergebnis eines optischen Bauteils zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Strahldurchmessers des den Strahlengang erzeugenden Lichts. Im Ergebnis ist die Airy-Scheibe farbunabhängig oder wellenlängenunabhängig. Dies hat eine einheitliche Auflösung des Mikroskops auch für unterschiedliche Wellenlängen zur Folge.

3 zeigt drei Varianten A, B und C zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Strahldurchmessers oder der Divergenz des den Strahlengang erzeugenden Lichts. Bei allen drei Varianten ist der Output in Form eines wellenlängenabhängigen Strahldurchmessers des Lichts der gleiche. Bei der Variante A liegt eine in das optische Bauteil integrierte Strahlaufweitung, bei der Variante B keine in das optische Bauteil integrierte Strahlaufweitung und bei der Variante C eine in das optische Bauteil integrierte Kollimation vor, wobei diese Effekte durch die Spezialoptik bzw. durch das optische Bauteil erzeugt werden.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre 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 diese Ausführungsbeispiele einschränken.


Anspruch[de]
  1. Optische Anordnung für ein Mikroskop, insbesondere für ein Scanmikroskop, mit einem in einem Strahlengang angeordneten Objektiv (MO), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang vor dem Objektiv (MO) ein optisches Bauteil zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Strahldurchmessers oder der Divergenz des den Strahlengang erzeugenden Lichts angeordnet ist.
  2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung derart realisiert ist, dass der Strahldurchmesser des Lichts vorzugsweise im Objektiv (MO) und weiter vorzugsweise in der Pupille des Objektivs (MO) im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Lichts ist, so dass das Airy-Scheibchen in einer Probe bei allen Wellenlängen des Lichts den gleichen Durchmesser hat.
  3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die numerische Apertur des durch das Objektiv (MO) erzeugten Beleuchtungskegels im Wesentlichen proportional zur Wellenlänge des Lichts ist.
  4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil im Strahlengang hinter einer variablen Blende, vorzugsweise Lochblende, angeordnet ist.
  5. Optische Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende in Abhängigkeit vom Objektiv (MO) in Kombination mit dem optischen Bauteil derart einstellbar ist, dass die Ausleuchtung der Pupille des Objektivs (MO) hinsichtlich der beiden Parameter Auflösung und Lichtverlust einen vorgebbaren Kompromiss darstellt.
  6. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil schaltbar aus dem Strahlengang entfernbar ist.
  7. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil einen vorzugsweise wellenlängenabhängigen Strahlaufweiter aufweist.
  8. Optische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlaufweiter zwei Linsen oder Linsensysteme aufweist, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der der Summe ihrer jeweiligen Brennweiten entspricht.
  9. Optische Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der ersten Linse oder des ersten Linsensystems mit der Wellenlänge des Lichts zunimmt.
  10. Optische Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite der zweiten Linse oder des zweiten Linsensystems mit der Wellenlänge des Lichts abnimmt.
  11. Optische Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Brennweite der ersten Linse oder des ersten Linsensystems mit der Wellenlänge des Lichts im gleichen Maß realisiert ist wie die Abnahme der Brennweite der zweiten Linse oder des zweiten Linsensystems mit der Wellenlänge des Lichts.
  12. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil eine Kollimationseinrichtung aufweist.
  13. Mikroskop, insbesondere Scanmikroskop, mit einer optischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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