-
Mikroskop und Verfahren zur Detektion von Probenlicht
-
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop, vorzugsweise ein Laser Scanning Mikroskop, mit mindestens einem Detektor zur Detektion von von einer Probe kommendem Probenlicht, wobei der Detektor durch mindestens einen Lichtverschluss vor zu hohen Lichtleistungen geschützt wird.
-
Mikroskope der eingangs genannten Art beinhalten in der Regel Detektoren, beispielsweise, aber nicht ausschließlich CCD-Sensoren, Photovervielfacher (engl. Photomultiplier Tube, PMT) oder Lawinenphotodioden (engl. Avalanche-Photodiode APD) zur Detektion von Probenlicht wie zum Beispiel Fluoreszenzlicht. Insbesondere bei Verwendung von Detektoren, die zur Detektion von sehr geringen Lichtleistungen ausgelegt sind, oder wenn Lichtleistungen auftreten können, die den Dynamikbereich der Detektoren überschreiten, sind im Detektionsstrahlengang des Mikroskops häufig Lichtverschlüsse (engl. Shutter) vor den Detektoren angebracht. Die Lichtverschlüsse dienen zum Schutz der Detektoren vor Beschädigung oder vorzeitige Alterung durch zu hohe Lichtleistungen (Lichtintensitäten) sowohl des Probenlichts als auch von Fremdlicht wobei letzteres sämtliches Licht einschließt, welches nicht zur Detektion bestimmt ist und somit nicht auf den Detektor gelangen soll.
-
Als Lichtverschlüsse können mechanische Verschlüsse (Schieber, Klappen oder ähnliches), akustooptische oder elektrooptische Bauteile oder Flüssigkristall-Elemente zum Einsatz kommen. Die Steuerung der Lichtverschlüsse erfolgt in der Regel durch eine Steuereinheit in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Mikroskops. So können die Lichtverschlüsse beispielsweise derart gesteuert werden, dass sie den Detektionsstrahlengang nur dann öffnen, wenn eine Messung von Probenlicht durchgeführt wird und der Detektionsstrahlengang bei Änderung von Einstellungen am Mikroskop (zum Beispiel Objektivwechsel, Filterwechsel oder Austausch der Probe) geschlossen bleibt.
-
Bei einer derartigen Anordnung kann jedoch nicht verhindert werden, dass nach Öffnen des Detektionsstrahlengangs dennoch eine zu hohe Lichtleistung auf den Detektor trifft, da die Steuerung des Lichtverschlusses unabhängig von der Lichtleistung erfolgt, und diese erst nach Öffnung des Lichtverschlusses durch den Detektor gemessen werden kann.
-
Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, zusätzliche Detektoren, so genannte Monitordioden, zu verwenden, um die Lichtleistung im Detektionsstrahlengang auch dann zu messen, wenn der Detektionsstrahlengang durch den Lichtverschluss geschlossen ist. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der
DE 102 53 609 A1 beschrieben. Hierbei wird ein Teil der Lichtleistung vor dem Lichtverschluss mit einem Strahlteiler aus dem Detektionsstrahlengang eines Scanmikroskops ausgekoppelt und auf einen zusätzlichen Detektor, die Monitordiode, gelenkt. Überschreitet die von der Monitordiode gemessene Lichtleistung einen vorgegebenen Wert, wird durch der Detektionsstrahlengang durch den Lichtverschluss vor dem Detektor geschlossen.
-
Die in der
DE 102 53 609 A1 beschriebene Anordnung weist einige Nachteile auf, insbesondere wenn geringe Lichtleistungen detektiert werden sollen. So führt das notwendige Ausspiegeln eines Teils der Lichtleistung aus dem Detektionsstrahlengang heraus auf die Monitordiode dazu, dass nicht alles von der Probe kommende Probenlicht zum Detektor gelangt. Die Detektionseffizienz des Mikroskops wird dadurch verringert. Auch die Verwendung von akustooptischen oder elektrooptischen Bauteilen sowie Flüssigkristall-Elementen als Lichtverschluss ist nachteilig, da diese ebenfalls zur Abschwächung der zu detektierenden Lichtleistung führen können und im Vergleich zu mechanischen Lösungen kostenintensiver sind.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Mikroskop der eingangs genannten Art anzugeben, in dem Detektoren effektiv vor zu hohen Lichtleistungen geschützt werden, und welches mit geringem Aufwand hergestellt und verwendet werden kann.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Mikroskop, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Mikroskop mindestens einen Detektor zur Detektion von Probenlicht, einen Detektionsstrahlengang mit einer optischen Achse sowie mindestens einen Lichtverschluss mit mindestens einer Monitordiode aufweist. Der Lichtverschluss dient zum Öffnen und Schließen des Detektionsstrahlengangs und ist im Detektionsstrahlengang vor dem Detektor angeordnet. Die Monitordiode ist auf der dem Detektor abgewandten Seite des Lichtverschlusses derart angebracht, dass sie sich bei geschlossenem Detektionsstrahlengang im Wesentlichen auf der optischen Achse des Detektionsstrahlengangs befindet. Sie kann somit sowohl Probenlicht als auch Fremdlicht detektieren Des Weiteren ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche Signale von der Monitordiode und/oder dem Detektor empfängt und einen den Lichtverschluss bewegenden Motor steuert.
-
Zur Detektion geringer Lichtleistungen ist vorzugsweise eine Optik vorgesehen, welche Licht auf den Detektor fokussiert. Der Lichtverschluss ist dabei so ausgelegt, dass sich die Monitordiode bei geschlossenem Detektionsstrahlengang im oder in der Nähe eines Fokus des Lichtes befindet. Die aktive Fläche der Monitordiode sammelt dann in vorteilhafter Weise alles an dieser Stelle ankommende Licht, um ein möglichst hohes Signal-Rauschverhältnis zu erreichen. Somit kann auch die Monitordiode geringe Lichtleistungen detektieren.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtverschluss als Verschlussklappe ausgelegt. Diese Verschlussklappe ist um eine zur optischen Achse des Detektionsstrahlengangs im Wesentlichen kollinear ausgerichtete Drehachse drehbar gelagert. Durch Drehung der Verschlussklappe um diese Drehachse kann der Detektionsstrahlengang geöffnet oder geschlossen werden
In dieser Ausführungsform kann eine Verschlussklappe vorteilhaft zur Abschirmung mehrerer Detektoren verwendet werden. Vorzugsweise befindet sich dann jeweils mindestens ein Detektor auf jeder Seite der Drehachse. Es können auch mehrere Monitordioden auf der Verschlussklappe angebracht sein, so dass sich bei geschlossener Verschlussklappe vor jedem Detektor eine Monitordiode befinden kann. Die Monitordiode und dazu gehörige Elektronikkomponenten können auf einer Leiterplatte auf der Verschlussklappe angebracht werden. In einer speziellen Ausführungsform wird die Leiterplatte selbst als Verschlussklappe verwendet, so dass kein zusätzliches Material für den Lichtverschluss benötigt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtverschluss um eine zur optischen Achse des Strahlengangs im Wesentlichen senkrecht ausgerichteten Achse drehbar. Diese Anordnung ist besonders Platz sparend. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn seitlich der Detektoren kein Bauraum für der Lichtverschluss und dessen Verstellmechanismus vorhanden ist
-
Die Bewegung der Verschlussklappe kann beispielsweise über Magnetschalter oder Elektromotoren erfolgen. Um die empfindlichen Detektoren nicht zu stören, kann es vorteilhaft sein, den Motor stromlos zu schalten, wenn Messungen mit den Detektoren erfolgen. Zur Beibehaltung seiner Position bei stromlos geschaltetem Motor kann der Lichtverschluss mit einer Rast (z.B. Federrast, Magnethalter oder ähnliches) versehen sein. Ist es aus Platzgründen nicht möglich, Motor und Verschlussklappe direkt zu verbinden, kann auch eine Kopplung beispielsweise über Riemenantrieb oder Hebel erfolgen.
-
Weiterhin sind Ausführungen des Lichtverschlusses als Verschlussschieber oder als drehbarer Zylinder mit Lichtdurchgang denkbar.
-
Bei geschlossenem Detektionsstrahlengang fällt das Licht auf die Monitordiode, welche ein der gemessenen Lichtleistung entsprechendes Signal an eine Steuereinheit sendet. Wird ein vorgebbarer Grenzwert nicht überschritten, kann der Detektionsstrahlengang geöffnet werden. Das Licht erreicht nun den Detektor. Bei geöffnetem Lichtverschluss sendet der Detektor ein der gemessenen Lichtleistung entsprechendes Signal an die Steuereinheit. Wird ein vorgebbarer Grenzwert überschritten, schließt die Steuereinheit den Detektionsstrahlengang durch den Lichtverschluss, um den Detektor vor zu hohen Lichtleistungen zu schützen. Bei geschlossenem Detektionsstrahlengang wird die Lichtleistung wiederum von der Monitordiode gemessen. Diese Ansteuerung des Lichtverschlusses kann mit einer Ansteuerung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Mikroskops gemäß dem Stand der Technik kombiniert werden.
-
In den Zeichnungen zeigen:
- 1 ein Mikroskop
- 2 eine erste schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung
- 3 eine zweite schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung
- 4 eine dritte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung
- 5 eine vierte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung
- 6 eine fünfte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung
-
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.
-
1 zeigt ein Mikroskop 1 in Form eines Laser-Scanning-Mikroskops in einer schematischen Darstellung. Es besteht aus einer Mikroskopeinheit M und einer Scaneinheit S, die eine gemeinsame optische Schnittstelle über eine Zwischenabbildung Z aufweisen, sowie aus einer Detektionseinheit zur descannten Detektion D und einer weiteren Detektionseinheit zur nicht descannten Detektion NDD. Die Scaneinheit S kann sowohl an den Phototubus eines aufrechten Mikroskops als auch an einen seitlichen Ausgang eines inversen Mikroskops angeschlossen werden. Die Mikroskopeinheit M weist ein Objektiv 4 und eine Tubuslinse 9 zum Beobachten einer Probe 5 auf. Ein Laser 10, dessen Laserstrahl nach dem Austritt zunächst frei propagiert und durch ein akustooptisches Bauelement 11, beispielsweise ein AOTF, hindurchtritt, ist als Messlichtquelle vorgesehen. Der Laserstrahl wird dann durch eine Koppeloptik 12 und eine Lichtleitfaser 13 in den Beleuchtungsstrahlengang der Scaneinheit S eingekoppelt. Der Laserstrahl kann mittels des akustooptischen Bauelements 11 von der Steuereinheit 2 ausgeblendet werden.
-
Die Scaneinheit S enthält eine Kollimationsoptik 16, einen Umlenkspiegel 17, ein Scanning-Objektiv 22, einen Scanner 23, und einen Hauptfarbteiler 24. Über eine Pinholeoptik 29 gelangt das von der Probe kommende Probenlicht in die Detektionseinheit D. Durch einen Nebenfarbteiler 26 wird das Probenlicht spektral getrennt über Abbildungsoptiken 25 auf mehrere Detektoren 31 gelenkt. Vor den Detektoren befindet sich eine Verschlussklappe 32, auf der Monitordioden 30 angebracht sind. Der Lichtverschluss 32 wird mit einem durch eine Steuereinheit 34 gesteuerten Motor 33 geöffnet und geschlossen.
Ergänzend oder alternativ kann das Mikroskop auch mit einer nicht descannten Detetktionseinheit NDD versehen sein. Probenlicht gelangt dann über einen vorzugsweise objektivnah angeordneten NDD-Strahlteiler 27 in die nicht descannte Detetktionseinheit NDD. Die nicht descannte Detetktionseinheit kann auch in bekannter Weise im Durchlicht verwendet werden (nicht gezeigt)
-
2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem einzelnen Detektor. Von der Probe kommendes Probenlicht und/oder Fremdlicht wird von einer Abbildungsoptik 25 entlang einer optischen Achse 37 eines Detektionsstrahlengangs 38 auf einen Detektor 31 fokussiert. Ist der Detektionsstrahlengang 38 durch Verschlussklappe 32 geschlossen, fällt das Probenlicht und/oder Fremdlicht auf die Monitordiode 30 und kann den Detektor 31 nicht erreichen ( 2b). Der Lichtverschluss ist über eine zur optischen Achse 37 des Detektionsstrahlengangs 38 im Wesentlichen kolinearen Achse 35 mit einem Motor 33 verbunden. Bei geschlossenem Detektionsstrahlengang (2b) schirmt der Lichtverschluss 32 den Detektor vom Probenlicht und/oder Fremdlicht ab. Bei geöffnetem Detektionsstrahlengang wird der Lichtverschluss aus dem Detektionsstrahlengang gedreht und gibt den Detektor 31 frei (2c). In beiden Positionen kann der Lichtverschluss durch eine Federrast (nicht gezeigt) arretiert werden, so dass der Motor 33 während der Detektion des Probenlichts stromlos geschaltet werden kann.
-
3 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 2 für zwei Detektoren, die von einer gemeinsamen Verschlussklappe 32 abgeschirmt werden. Durch Drehung der Verschlussklappe 32 um die zur optischen Achse 37 kolineare Achse 35 können die Detektoren 31 gleichzeitig vom Probenlicht und/oder Fremdlicht abgeschirmt werden
-
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung. Von der Probe kommendes Probenlicht und/oder Fremdlicht wird von einer Abbildungsoptik 25 entlang einer optischen Achse eines Detektionsstrahlengangs auf einen Detektor 31 fokussiert. Ist der Detektionsstrahlengang durch Verschlussklappe 32 geschlossen, fällt das Probenlicht auf die Monitordiode 30 und kann den Detektor 31 nicht erreichen. Der Lichtverschluss ist über eine zur optischen Achse des Detektionsstrahlengangs im Wesentlichen senkrechte Achse 35 mit einem Motor 33 verbunden. Bei geschlossenem Detektionsstrahlengang (2b) schirmt der Lichtverschluss 32 den Detektor vom Probenlicht und/oder Fremdlicht ab. Bei geöffnetem Detektionsstrahlengang wird der Lichtverschluss aus dem Detektionsstrahlengang geklappt und gibt den Detektor 31 frei. In beiden Positionen kann der Lichtverschluss durch eine Federrast (nicht gezeigt) arretiert werden, so dass der Motor 33 während der Messung von Probenlicht stromlos geschaltet werden kann.
-
5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit einem Schieber 36 zum Verschließen und Öffnen des Detektionsstrahlengangs. Der Schieber kann durch einen Motor 33 bewegt werden.
-
6 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit einem drehbaren Zylinder 39 mit Lichtdurchgang 40 und Monitordiode 30. Bei geschlossenem Detektionsstrahlengang 38 fällt das Licht auf die Monitordiode 30 (6a). Zum Öffnen des Detektionsstrahlengangs wird der Zylinder 39 so gedreht, dass der Lichtdurchgang 40 im Wesentlichen kolinear zur optischen Achse 37 des Detektionsstrahlengangs 38 ausgerichtet ist. Das Licht kann dann durch den Lichtdurchgang 40 zum Detektor 31 gelangen (6b).
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Mikroskop
- 2
- Systemsteuerung
- 4
- Objektiv
- 5
- Probe
- 9
- Tubuslinse
- 10
- Laser
- 11
- Akustooptisches Bauelement
- 12
- Koppeloptik
- 13
- Lichtleitfaser
- 16
- Kollimationsoptik
- 17
- Umlenkspiegel
- 22
- Scanning-Objektiv
- 23
- Scanner
- 24
- Hauptfarbteiler
- 25
- Abbildungsoptik
- 26
- Nebenfarbteiler
- 27
- NDD-Strahlteiler
- 29
- Pinholeoptik
- 30
- Monitordiode
- 31
- Detektor
- 32
- Verschlussklappe
- 33
- Motor
- 34
- Steuereinheit
- 35
- Achse
- 36
- Schieber
- 37
- optische Achse
- 38
- Detektionsstrahlengang
- 39
- Zylinder
- 40
- Durchgang
- M
- Mikroskopeinheit
- S
- Scaneinheit
- Z
- Zwischenabbildung
- D
- Detektionseinheit
- NDD
- Nicht Descannte Detektionseinheit