DE10033269B4

DE10033269B4 - Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle in ein konfokales Rastermikroskop

Info

Publication number: DE10033269B4
Application number: DE10033269A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. Engelhardt
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: GB2367701B; GB2367701A; JP5007462B2; JP2002072098A; DE10033269A1; US20020003204A1; GB0116559D0; US6686583B2

Abstract

Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht (1) mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle (2) in ein konfokales Rastermikroskop, mit einem optisch aktiven Bauteil (4), das zur Selektion der Wellenlänge und zur Einstellung der Leistung des eingekoppelten Lichts (5) dient, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bauteil (4) ein erster Detektor (18) und hinter dem Bauteil (4) ein zweiter Detektor (17) zur simultanen Detektion der Leistung des Lichts (1, 5) angeordnet ist, und dass das Bauteil (4) zur Beeinflussung des eingekoppelten Lichts (5) als Stellglied einer Regelung (11) dient, wobei eine Verarbeitungseinheit (22) vorgesehen ist, die den Quotienten der Messwerte der Detektoren (17, 18) ermittelt und sodann einem Regelglied (21) zuführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle in ein konfokales Rastermikroskop, mit einem optisch aktiven Bauteil, das zur Selektion der Wellenlänge und zur Einstellung der Leistung des eingekoppelten Lichts dient.
Vorrichtungen der gattungsbildenden Art werden in der Praxis zum Einkoppeln von Licht in die unterschiedlichsten optischen Aufbauten verwendet. Insbesondere wenn Laserlicht mehrerer Wellenlängen in einen optischen Aufbau einzukoppeln sind, wird zum Einkoppeln ein optisch aktives Bauteil verwendet, da mit dem optisch aktiven Bauteil jeweils Licht einer Wellenlänge selektiert und in den optischen Aufbau eingekoppelt werden kann. Hierbei kann in besonders vorteilhafter Weise jeweils die Leistung des eingekoppelten Lichts einer bestimmten Wellenlänge ebenfalls durch das optisch aktive Bauteil eingestellt und verändert werden. Ein optischer Aufbau könnte beispielsweise ein konfokales Rastermikroskop oder eine Vorrichtung zur Projektion von Laserlicht auf eine Leinwand sein. Bei letzterem Aufbau ist es möglich, durch eine geeignete Scanvorrichtung ein farbiges Bild oder eine farbige Bildfolge zu projizieren, wobei an jedem projizierten Bildpunkt ein anderer Farbwert vorliegen kann. Mit einem optisch aktiven Bauteil ist eine schnelle Leistungsänderung des Lichts der unterschiedlichen Wellenlängen möglich, so dass durch die Verwendung eines optisch aktiven Bauteils zum Einkoppeln von Laserlicht in eine Projektionsvorrichtung eine Darstellung von Bildern in Videogeschwindigkeit möglich ist. Auch bei der konfokalen Fluoreszenz-Rastermikroskopie ist eine linien- und/oder pixelweise veränderte Anregung mehrerer Fluoreszenzfarbstoffe mit Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen für viele Anwendungen hilfreich und wird in der Praxis angewandt.
Viele Laserlichtquellen weisen jedoch zum Teil große Schwankungen in der Lichtleistung sowie in der Wellenlänge des emittierten Lichts auf. Beispielsweise ist die Emissionswellenlänge von Diodenlasern von der Betriebstemperatur der Laserdiode abhängig, die emittierte Wellenlänge des Diodenlasers verändert sich um ca. 2 bis 3 nm pro Grad K. Damit einher geht darüber hinaus eine Veränderung der emittierten Leistung des Diodenlasers, was für sich gesehen für viele Anwendungen nicht tolerierbar ist. Wenn sich jedoch die Wellenlänge des emittierten Lichts verändert, ändert sich üblicherweise auch die Leistung des eingekoppelten Lichts in dem optischen Aufbau, da im Allgemeinen das optisch aktive Bauteil lediglich auf Licht einer bestimmten Wel lenlänge bzw. eines scharf begrenzten Wellenlängenbereichs wirkt. Wenn sich jedoch die Wellenlänge bzw. der Wellenlängenbereich der Laserlichtquelle verändert, so ändert sich auch in nachteiliger Weise die Leistung des von dem optisch aktiven Bauteil eingekoppelten Lichts.
Aus der DE 198 27 140 A1 ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle in den Scankopf einer Mikroskopeinheit bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein optisch aktives Bauteil (AOTF), welches zur Selektion der Wellenlängen und zur Einstellung der Leistung des eingekoppelten Lichts dient. Mittels eines teildurchlässigen Spiegels wird aus dem eingekoppelten Licht ein Überwachungsstrahlengang in Richtung einer Monitordiode ausgeblendet. Der von der Monitordiode ermittelte Intensitätswert des eingekoppelten Lichts wird an eine Ansteuereinheit übermittelt. In Abhängigkeit von der gemessenen Intensität stellt die Ansteuereinheit die AOTF-Frequenz nach, bis ein maximales Signal erreicht ist.
Aus der DE 197 02 753 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle in den Scankopf einer Mikroskopeinheit bekannt. Die Leistung des eingekoppelten Lichts wird mittels eines AOTF eingestellt, wobei der AOTF das Stellglied einer Regelung bildet, deren Regelglied die Messwerte einer in einem Überwachungsstrahlengang des eingekoppelten Lichts angeordneten Monitordiode zugeführt werden.
Aus der US 5 841 577 A ist eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht einer Laserlichtquelle in ein Mikroskop bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen ersten AOTF zur Erzeugung von zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisation sowie einen zweiten, hinter einer bildgebenden Objektivlinse angeordneten AOTF zur Bildfilterung. Die beiden AOTFs werden von zwei unabhängig arbeitenden Generatoren angesteuert.
Aus der Veröffentlichung European Journal of Physiology, Vol. 433, S. 653–663 (1997) ist ein Mikroskop mit einer Lichtquelle für sichtbares Licht und einer Laserlichtquelle für UV-Licht bekannt, wobei zum schnellen Schalten des Anregungslichts sowohl in dem Strahlengang des sichtbaren Lichts als auch im Strahlengang des UV-Lichts jeweils ein AOTF angeordnet ist.
Aus der US 5,940,209 A ist ein System zur einstellbaren Verstärkung eines optischen Signals bekannt, welches von einer Signalquelle generiert und über ein verzweigtes optisches Fasernetzwerk zu einem Signalempfänger geleitet wird. Zur Kompensation unterschiedlich starker Abschwächungen, die durch unterschiedliche Pfade des optischen Signals beim Durchlaufen des Fasernetzwerks entstehen können, ist ein flexibler Verstärker vorgesehen. Der Verstärker umfasst insgesamt drei Detektoren, deren Signale einer Steuerungseinheit zugeführt werden. In Abhängigkeit von den empfangenen Detektorsignalen gibt die Steuerungseinheit Signale an einen oder mehrere Pumplaser, deren Ausgangslicht auf einen passiven optischen Verstärkerblock einwirkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle in ein konfokales Rastermikroskop anzugeben, mit der auf vielseitige Weise unterschiedliche Beleuchtungsmuster mit hoher Genauigkeit realisierbar sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der gattungsbildenden Art löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bauteil ein erster Detektor und hinter dem Bauteil ein zweiter Detektor zur simultanen Detektion der Leistung des Lichts angeordnet ist, und dass das Bauteil zur Beeinflussung des eingekoppelten Lichts als Stellglied einer Regelung dient, wobei eine Verarbeitungseinheit vorgesehen ist, die den Quotienten der Messwerte der Detektoren ermittelt und sodann einem Regelglied zuführt.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass das optisch aktive Bauteil nicht nur zum Einkoppeln des Laserlichts in das konfokale Rastermikroskop verwendet werden kann, sondern darüber hinaus auch als Stellglied einer Regelung dienen kann. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise – ein geeigneter Regelkreis vorausgesetzt – das eingekoppelte Licht derart beeinflusst werden, dass sich Schwankungen der Laserlichtquelle nur in einem akzeptablen Bereich oder überhaupt nicht auf die Leistung des eingekoppelten Lichts auswirkt.
In weiter erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass sich ein vielseitiger Betrieb dadurch realisieren lässt, dass neben einem ersten Detektor ein zusätzlicher zweiter Detektor eingesetzt wird, wobei einer der Detektoren die Lichtleistung vor dem optisch aktiven Bauteil und der andere Detektor die Lichtleistung hinter dem optisch aktiven Bauteil detektiert. Des Weiteren ist erkannt worden, dass bei einer derartigen konstruktiven Ausgestaltung der Quotient der Messwerte der Detektoren dem Regelglied einer Regelung zugeführt werden kann, als deren Stellglied das Bauteil zur Beeinflussung des eingekoppelten Lichts dient. Durch die erfindungsgemäße simultane Detektion der Lichtleistung vor und hinter dem Bauteil sowie der Regelung auf Grundlage des Quotienten der Messwerte können einerseits ungewollte Intensitätsschwankungen mit hoher Genauigkeit ausgeglichen werden. Andererseits ermöglicht die Vorrichtung auch eine gewollte, d. h. gezielt herbeigeführte Intensitätsänderung, so dass während einer Messung beliebige Lichtintensitätsmuster mit hoher Genauigkeit einstellbar sind.
In besonders vorteilhafter Weise wird durch die Regelung lediglich das optisch aktive Bauteil als Stellglied verwendet. Es handelt sich somit nicht um einen Versuch, die Laserlichtquelle selbst zu regeln, sondern die Regelung bedient sich eines Stellglieds, das sowieso in vielen Fällen zum Einkoppeln von Licht in ein konfokales Rastermikroskop vorgesehen ist. Demgemäß ist es in vorteilhafter Weise nicht notwendig, zusätzliche, teure und unter Umständen ebenfalls mit Fehlern behaftete optische Elemente vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Regelung einen zeitlichen Leistungsverlauf des einzukoppelnden Lichts zu berücksichtigen ist. Ein zeitlicher Leistungsverlauf des einzukoppelnden Lichts könnte beispielsweise durch eine sinusförmige Amplitudenmodulation des Lichts der Laserlichtquelle darstellen, deren Ist-Wert von dem vor dem optischen Bauteil angeordneten Detektor detektiert wird. Die simultane Detektion der Lichtleistung nach dem optisch aktiven Bauteil durch einen entsprechend angeordneten Detektor liefert einen Ist-Wert des eingekoppelten Lichts. Der Quotient dieser beiden detektierten Ist-Werte wird nun dem Regelglied zugeführt und die Regelung könnte darauf abstellen, dass dieser Quotient im Wesentlichen konstant ist.
Im Folgenden seien einige Regelungsstrategien genannt, die unterschiedlichen Anforderungen eines konfokalen Rastermikroskops gerecht werden können.
Die Regelung könnte derart ausgelegt sein, dass sie zur Minimierung von Lichtleistungsschwankungen des eingekoppelten Lichts dient. Hierbei können insbesondere Kurzzeitschwankungen der Laserlichtquelle berücksichtigt werden, die durch die Regelung entsprechend minimiert werden. Falls die Schwankungen der Laserlichtquelle auf thermischen Veränderungen beruht, handelt es sich im Allgemeinen um Schwankungen im Sekundenbereich, die ebenfalls durch die Regelung zu minimieren sind.
Weiterhin könnte ein zeitlicher Leistungsverlauf des einzukoppelnden Lichts vorgegeben sein, der durch die Regelung erzielt werden soll. Auch hierbei ist eine Minimierung von Lichtleistungsschwankungen des einzukoppelnden Lichts vorgesehen. Bei dem zeitlichen Leistungsverlauf könnte es sich beispielsweise um eine periodischen Amplitudenmodulation oder eine stetig steigende und/oder fallende Leistungsveränderung des einzukoppelnden Lichts handeln. Beispiele für eine solche Amplitudenmodulation sind rechteck-, sägezahn- oder sinusförmige Leistungsverläufe.
Die Regelung könnte auch dahingehend ausgelegt sein, dass sie zur Maximierung der Lichtleistung des eingekoppelten Lichts dient. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn sich die zur Verfügung stehende Leistung der Laserlichtquelle von der benötigten Lichtleistung in dem konfokalen Rastermikroskop nur geringfügig unterscheidet.
Für viele Anwendungen wird die Regelung darauf abzielen, eine im Wesentlichen konstante Lichtleistung in das Rastermikroskop einzukoppeln. Auch die Einkopplung von Licht eines beliebigen Bruchteils der maximalen Lichtleistung ist denkbar.
In einer konkreten Ausführungsform ist die Regelung derart ausgebildet, dass eine von einem Benutzer durchgeführte Änderung und/oder Einstellung berücksichtigt wird, d. h. die geänderte Einstellung ist der Regelung bekannt. Falls die von einem Benutzer durchgeführten Änderungen und/oder Einstellungen der Regelung nicht bekannt sind, würde beispielsweise nach einer Erhöhung der Ausgangsleistung des Lasers direkt an der Lasersteuerung die Regelung jedoch nach wie vor zum Erzielen einer konstanten Lichtleistung des eingekoppelten Lichts diese Änderung zunichte machen, indem die Re gelung die ursprünglich festgelegte konstante Lichtleistung in das konfokale Rastermikroskop einkoppelt. Es muss also sichergestellt sein, dass die von einem Benutzer durchgeführten Änderungen und/oder Einstellungen als neue Sollwerte von der Regelung berücksichtigt werden und diese entsprechend geregelt werden. Neben den Änderungen und/oder Einstellungen der Emissionsleistung der Laserlichtquelle könnte auch das Verhältnis zwischen eingekoppeltem und nicht eingekoppeltem Licht verändert und/oder eine periodischen Amplitudenmodulation des einzukoppelnden Lichts von einem Benutzer vorgenommen werden.
In vorteilhafter Weise ist die Regelung mit einem Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgang des konfokalen Rastermikroskops synchronisierbar. Insbesondere bei der konfokalen Rastermikroskopie ist eine Synchronisation der Regelung mit dem Detektionsvorgang vorgesehen. Durch diese Maßnahme soll sichergestellt werden, dass insbesondere während eines Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgangs optimale Betriebsbedingungen vorliegen.
Bei dem optisch aktiven Bauteil handelt es sich um ein akustooptisches oder elektrooptisches Bauteil. In einer konkreten Ausführungsform ist das optisch aktive Bauteil ein AOTF (Acousto-Optical-Tunable-Filter) oder ein AOBS (Acousto-Optical-Beam-Splitter). Das AOTF bzw. AOBS ist von einer Steuereinheit steuerbar.
Ganz allgemein wird beim AOBS bzw. AOTF Licht einer bestimmten Wellenlänge an einer durch das Kristall des AOBS bzw. AOTF laufenden mechanischen Schallwelle gebeugt bzw. aufgrund der durch das Kristall verlaufenden mechanischen Schallwelle einer bestimmten Frequenz wird die Bragg-Bedingung für Licht einer der Frequenz der mechanischen Schallwelle entsprechenden Wellenlänge hergestellt. Demgemäß ist das Bauteil mit einer Schallwelle einer bestimmten Frequenz beaufschlagbar, so dass Licht eines der Frequenz der Schallwellen entsprechenden Wellenlängenbereichs in das konfokale Rastermikroskop einkoppelbar ist. Bei dem Wellenlängenbereich handelt es sich im Allgemeinen um einen spektral scharf begrenzten Bereich von wenigen Nanometern.
Durch die Amplitude der Frequenzbeschaltung des AOTF’s bzw. AOBS’s ist die Leistung des eingekoppelten Lichts beeinflussbar. Falls das optische Bau teil Licht aktiv in das konfokale Rastermikroskop einkoppelt, würde eine Erhöhung der Amplitude der mechanischen Schallwelle die Leistung des einzukoppelnden Lichts erhöhen. Bei einer aktiven Einkopplung wird nur das an einer Schallwelle einer bestimmten Frequenz gebeugte Licht in das konfokale Rastermikroskop eingekoppelt.
Zur Bestimmung des für die Regelung relevanten aktuell vorliegenden Ist-Werts können die Detektoren zur Detektion der entsprechenden Lichtleistungen beispielsweise als Fotodioden oder als Laser-Power-Meter ausgeführt sein. Grundsätzlich kommen jedoch sämtliche gängigen Detektoren zur Bestimmung der Lichtleistungen.
In vorteilhafter Weise kann eine Detektion der Änderung der Wellenlänge des Lichts vorgesehen sein. Hierbei könnte die Messung mit einem Spektrometer, Multibanddetektor oder mit einem Halbleiterwavemeter erfolgen. Bei einem Halbleiterwavemeter handelt es sich um einen Detektor, der aus zwei unterschiedlichen, übereinander angeordneten Fotodioden besteht, die unterschiedliche spektrale Detektionseigenschaften aufweisen. Bei einer Änderung der Wellenlänge des zu detektierenden Lichts ändern sich die von den beiden unterschiedlichen Fotodioden des Halbleiterwavemeters detektierten Intensitäten, was eine Bestimmung der geänderten Wellenlänge des gemessenen Lichts erlaubt.
Die zur Messung dienenden Detektoren können konkret hinter einem teildurchlässigen Spiegel, einem dichroitischen Strahlteiler, einer unbeschichteten Glasplatte und/oder einer beschichteten Glasplatte angeordnet sein. So könnte beispielsweise die Messung vor dem optisch aktiven Bauteil durch eine entsprechende Anordnung einer unbeschichteten Glasplatte in dem optischen Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle und dem optisch aktiven Bauteil erfolgen. Die Glasplatte koppelt hierbei aus dem Beleuchtungsstrahlengang einen geringen Teil des Beleuchtungslichts aus, das dem der Glasplatte nachgeordneten Detektor zugeführt wird. Die Messung nach dem optisch aktiven Bauteil könnte in vorteilhafter Weise nach einem dichroitischen Strahlteiler oder einem teildurchlässigen Spiegel, der sowieso in dem Strahlengang des konfokalen Rastermikroskops angeordnet ist, durchgeführt werden. Demgemäß wäre der entsprechende Detektor hinter dem teildurchlässigen Spiegel bzw. dem dichroitischen Strahlteiler zu positionieren, eine Justierung einzelner Komponenten des konfokalen Rastermikroskops ist durch diese Vorgehensweise in vorteilhafter Weise nicht erforderlich.
Das Regelglied stellt über die Steuereinheit das optisch aktive Bauteil im Sinne der Regelung. Die Steuereinheit steuert bzw. stellt das optisch aktive Bauteil durch das Beaufschlagen mit einer mechanischen Schallwelle. Letztendlich gibt die Steuereinheit eine Wechselspannung ab, die das an dem AOTF bzw. AOBS befindliche Piezo-Element zur mechanischen Auslenkung bzw. zu Schwingung veranlasst, wodurch die mechanische Schallwelle in dem AOTF bzw. AOBS erzeugt wird. Die wesentlichen Kenngrößen, die die Steuereinheit beim Stellen verändert, sind zum einen die Frequenz der Wechselspannung und zum anderen die Amplitude der Wechselspannung. Bei einer Änderung der Wellenlänge des Lichts wird die Frequenz der von der Steuereinheit ausgegebenen Wechselspannung derart geändert, dass eine der eingangs beschriebenen Regelungsstrategien realisiert werden kann. Verändert sich die Leistung des Lichts, so kann darüber hinaus auch die Amplitude der von der Steuereinheit ausgegebenen Wechselspannung verändert bzw. gestellt werden, so dass sich eine der eingangs beschriebenen Regelungsstrategien realisieren lässt. Eine kombinierte Änderung der Frequenz der Wechselspannung und der Amplitude der Wechselspannung ist ebenfalls vorgesehen, da beispielsweise eine Veränderung der Wellenlänge des Lichts im Allgemeinen auch mit einer Leistungsänderung einhergeht. In diesem Fall wäre zunächst eine Frequenzänderung der von der Steuereinheit ausgegebenen Wechselspannung und danach eine Amplitudenänderung der von der Steuereinheit ausgegebenen Wechselspannung durchzuführen.
Der Regelkreis ist in Form einer elektrischen Schaltung ausgebildet. Hierbei könnte der Regelkreis eine PLL-Schaltung (Phase-Locked-Loop) sein, der Regelkreis könnte einen Proportionalregler, einen Proportional-Integralregler oder einen Proportional-Integral-Differenzialregler umfassen.
In einer konkreten Ausführungsform ist eine Kalibrierung vorgesehen. Die Kalibrierung könnte während, vor und/oder nach einem Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgang des konfokalen Rastermikroskops erfolgen. Insbesondere kann eine Kalibrierung vor und nach einer Bildaufnahme vorgesehen sein. Falls eine länger andauernde Objektdetektion durchgeführt wird, ist auch eine Kalibrierung während des Aufnahmevorgangs mit dem konfokalen Rastermikroskop vorgesehen.
Die Kalibrierung könnte mit einem Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgang des konfokalen Rastermikroskops synchronisierbar sein.
Zur Kalibrierung werden mindestens zwei verschiedene Messwerte detektiert. Vorzugsweise werden drei verschiedene Messwerte aufgenommen. Hinsichtlich der Kalibrierung der Laserleistung könnte beispielsweise die Laserlichtquelle auf eine zunächst geringe Leistungsstufe, beispielsweise 20 mW eingestellt werden und die Lichtleistung mit einem entsprechend angeordneten Detektor bestimmt werden. Danach könnte die Leistung der Laserlichtquelle auf einen größeren Wert, beispielsweise 80 mW, eingestellt werden und mit dem Detektor eine zweite Messung der nunmehr vorliegenden Laserlichtleistung vorgenommen werden. Schließlich könnte eine dritte Kalibrationsmessung durchgeführt werden, bei der der Laser auf eine hohe Ausgangsleistung, beispielsweise 150 mW, eingestellt wird. Falls die Kalibrierung genügend Messwerte umfasst, könnte sogar der einzustellende Regelungswert anhand einer Kalibrationsmessung ermittelt werden.
Die Regelung berücksichtigt die Kalibrierungswerte, indem beispielsweise die gemessenen Kalibrierungswerte dem Regelglied übermittelt bzw. dort abgespeichert werden. Falls mehrere Kalibrierungen vorgesehen sind, könnten die neuen Kalibrierungswerte die Alten ersetzen oder zusätzlich in dem Regelglied gespeichert werden.
Die Zuordnung zwischen gemessenen Werten – Ist-Werten – und Stellwerten – Soll-Werte – könnte über eine LUT (Look-Up-Table) erfolgen. Dort sind die Werte eingetragen, die das Stellglied bzw. die Steuereinheit des Bauteils ausgibt, wenn entsprechend gemessene Ist-Werte vorliegen. Eine Zuordnung zwischen gemessenen Werten und Stellwerten könnte mit Hilfe eines Steuerrechners erfolgen.
Im Allgemeinen wird die Verwendung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehen sein. In diesem Fall bezieht sich die Regelung jeweils auf das Licht einer Wellenlänge. Wenn also simultan Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen in ein konfokales Rastermikroskop einzukoppeln sind, könnte die Regelung beispielsweise derart ausgelegt sein, dass eine Maximierung der Lichtleistung des Lichts der ersten Wellenlänge und das Erzielen einer im Wesentlichen konstanten Lichtleistung des Lichts der zweiten Wellenlänge durch die Regelung erreicht werden kann.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht mindestens einer Wellenlänge in ein konfokales Rastermikroskop,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die 1 bis 4 zeigen jeweils eine Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht 1 mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle 2 in ein konfokales Rastermikroskop 3. Die Baugruppen des konfokalen Rastermikroskops 3 sind im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung lediglich in 1 mit dem Bezugszeichen 3 gezeigt. Die Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht 1 weist ein optisch aktives Bauteil 4 auf, das zur Selektion der Wellenlänge und zur Einstellung der Leistung des in das konfokale Rastermikroskop 3 eingekoppelten Lichts 5 dient. Das in das konfokale Rastermikroskop 3 eingekoppelte Licht 5 trifft auf einen dichroitischen Strahlteiler 6 und wird zur Scaneinrichtung 7 re flektiert, wo das Licht mit Hilfe eines beweglich angeordneten Spiegels in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen abgelenkt wird. Das so abgelenkte Licht wird über die Mikroskopoptik 8 zum Objekt 9 geleitet. Das vom Objekt 9 zurückkehrende Licht durchläuft – in umgekehrter Reihenfolge – die Mikroskopoptik 8, die Scaneinrichtung 7 und passiert den dichroitischen Strahlteiler 6 in Richtung zum Detektor 10.
Zur Beeinflussung des eingekoppelten Lichts 5 dient das Bauteil 4 als Stellglied einer Regelung 11. Die Regelung 11 ist zur übersichtlichen Darstellung lediglich in den 1 und 3 mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichnet.
Die Regelung 11 der 1 dient zur Minimierung von Lichtleistungsschwankungen des eingekoppelten Lichts 5 und zum Erzielen einer konstanten Lichtleistung in dem konfokalen Rastermikroskop 3.
In der 4 ist gezeigt, dass die Regelung 11 mit dem Scanvorgang des konfokalen Rastermikroskops 3 synchronisiert ist. Hierzu ist die Scaneinrichtung 7 über die Verbindung 12 mit einem Bauteil der Regelung 11 gekoppelt. Über die Verbindung 12 werden der Regelung 11 die Positionsdaten der Scaneinrichtung 7 zur Verfügung gestellt.
Das optisch aktive Bauteil 4 der 1 bis 4 ist als akustooptisches Bauteil ausgeführt, und zwar als ein AOTF. Das AOTF 4 wird von einer Steuereinheit 13 angesteuert. Das AOTF 4 kann mit einer Schallwelle einer bestimmten Frequenz beaufschlagt werden, so dass Licht eines einer Frequenz der Schallwelle entsprechenden Wellenlängenbereichs in das konfokale Rastermikroskop 3 einkoppelbar ist. Hierzu gibt die Steuereinheit 13 über die Stellleitung 14 eine elektromagnetische Wechselspannung aus. Diese Wechselspannung bewirkt eine periodische Auslenkung des nicht eingezeigten, direkt am AOTF 4 angebrachten Piezo-Elements, das bewirkt, dass durch das Kristall des AOTF’s eine Schallwelle einer der elektromagnetischen Wechselspannung entsprechenden Frequenz durchläuft.
Durch die Amplitude der Frequenzbeschaltung des AOTF’s 4 ist die Leistung des eingekoppelten Lichts 5 beeinflussbar. Das AOTF 4 ist derart im Strahlengang angeordnet, dass das Licht 1 nur bei aktiver Beschaltung der Steuereinheit 13 in das konfokale Rastermikroskop 3 eingekoppelt wird, d. h. die Steu ereinheit 13 muss zum Einkoppeln von Licht 1 einer bestimmten Wellenlänge das AOTF mit einer elektromagnetischen Wechselspannung derart beaufschlagt werden, dass die durch das AOTF 4 laufende Schallwelle die Bragg-Bedingung für das Licht der bestimmten Wellenlänge erfüllt und somit als eingekoppeltes Licht 5 in dem konfokalen Rastermikroskop 3 zur Verfügung steht. Falls das AOTF nicht oder mit keiner der Wellenlängen des Lichts entsprechenden Schallwelle der korrespondierenden Frequenz beaufschlagt wird, wird das Licht 1 nach dem Durchlaufen des AOTF’s als nicht eingekoppeltes Licht 15 von der Strahlfalle 16 absorbiert.
In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 wird die Lichtleistung von entsprechenden Detektoren 17, 18 detektiert. In dem Ausführungsbeispiel der 1 werden die Änderungen der Wellenlängen des Lichts mit Hilfe eines Halbleiterwavemeters 19 detektiert. Bei den Ausführungsbeispielen der 1, 3 und 4 ist der zur Messung dienende Detektor 18 bzw. 19 vor dem optischen Bauteil angeordnet, und zwar hinter einer unbeschichteten Glasplatte 20, die einen geringen Teil des von der Laserlichtquelle 2 emittierten Lichts 1 dem jeweiligen Detektor zuführt. Bei den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 ist zusätzlich noch jeweils ein Detektor 17 dem optisch aktiven Bauteil 4 nachgeordnet. Der Detektor 17 ist hinter einem dichroitischen Strahlteiler 6 angeordnet. Bei dem Detektor 17 handelt es sich um einen Detektor, der die Lichtleistung ermittelt, bei dem Detektor 18 handelt es sich um einen Detektor, der sowohl die Lichtleistung als auch die Wellenlänge des Lichts detektieren kann.
Den 1 und 2 ist entnehmbar, dass die von den Detektoren 17, 18 und 19 detektierten Messwerte einem Regelglied 21 zugeführt werden. In den 3 und 4 ist gezeigt, dass erfindungsgemäß die Messwerte eines vor dem optischen aktiven Bauteil 4 angeordneten Detektors 18 und die Messwerte eines nach den optischen Bauteil 4 angeordneten Detektors 17 detektiert werden. Die Detektion erfolgt simultan, der Quotient dieser Messwerte wird von der Verarbeitungseinheit 22 ermittelt und sodann dem Regelglied 21 zugeführt.
Das Regelglied 21 stellt über die Steuereinheit 13 das optisch aktive Bauteil 4 im Sinne der Regelung. Bei einer Änderung der Wellenlänge des Lichts der Laserlichtquelle 2 wird die Frequenz der das optische aktive Bauteil 4 beaufschlagenden Schallwelle von der Steuereinheit 13 gestellt. Bei einer Änderung der Leistung des Lichts wird die Amplitude der das optisch aktive Bauteil 4 beaufschlagenden Schallwelle von der Steuereinheit 13 gestellt.
Die Regelungsstrategie des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist zur Regelung auf einen bestimmten Bruchteil der maximalen Transmission ausgelegt. Mit Transmission ist die Leistung des eingekoppelten Lichts 5 und das den dichroitischen Strahlteiler 6 passierenden Lichts gemeint, dass mit dem Leistungsdetektor 17 nachgewiesen wird. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Regelung auf einen bestimmten Transmissionswert gleichzeitig die Regelung auf einen entsprechenden Leistungswert des eingekoppelten Lichts, sämtliche sich auf die Leistung des eingekoppelten Lichts beziehenden Regelungsstrategien sind jedoch auch im Hinblick auf die Transmission denkbar.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

1: Licht von (2)
2: Laserlichtquelle
3: Konfokales Rastermikroskop
4: optisch aktives Bauteil, AOTF
5: in (3) eingekoppeltes Licht
6: dichroitischer Strahlteiler
7: Scaneinrichtung
8: Mikroskopoptik
9: Objekt
10: Detektor
11: Regelung
12: Verbindung zwischen (7) und (11)
13: Steuereinheit von (4)
14: Stellleitung
15: nicht in (3) eingekoppeltes Licht
16: Strahlfalle
17: Leistungsdetektor
18: Leistungs- und Wellenlängendetektor
19: Wellenlängendetektor
20: unbeschichtete Glasplatte
21: Regelglied
22: Verarbeitungseinheit

Claims

Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht (1) mindestens einer Wellenlänge einer Laserlichtquelle (2) in ein konfokales Rastermikroskop, mit einem optisch aktiven Bauteil (4), das zur Selektion der Wellenlänge und zur Einstellung der Leistung des eingekoppelten Lichts (5) dient, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Bauteil (4) ein erster Detektor (18) und hinter dem Bauteil (4) ein zweiter Detektor (17) zur simultanen Detektion der Leistung des Lichts (1, 5) angeordnet ist, und dass das Bauteil (4) zur Beeinflussung des eingekoppelten Lichts (5) als Stellglied einer Regelung (11) dient, wobei eine Verarbeitungseinheit (22) vorgesehen ist, die den Quotienten der Messwerte der Detektoren (17, 18) ermittelt und sodann einem Regelglied (21) zuführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (11) zur Minimierung von Lichtleistungsschwankungen des eingekoppelten Lichts (5) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Lichtleistungsverlauf des einzukoppelnden Lichts (5) vorgegeben ist, der durch die Regelung (11) erzielbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (11) zur Maximierung der Lichtleistung des eingekoppelten Lichts (5) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (11) zum Erzielen einer im wesentlichen konstanten Lichtleistung des eingekoppelten Lichts (5) dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (11) die von einem Benutzer durchgeführten Änderungen und/oder Einstellungen berücksichtigt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen und/oder die Einstellungen die Wahl der Leistung der Laserlichtquelle (2), die Wahl des Verhältnisses zwischen eingekoppeltem und nicht eingekoppeltem Licht (5, 15) und/oder eine periodische Amplitudenmodulation des einzukoppelnden Lichts (5) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (11) mit einem Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgang des konfokalen Rastermikroskops synchronisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Bauteil (4) ein akustooptisches oder elektrooptisches Bauteil ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Bauteil (4) ein AOTF oder ein AOBS ist und von einer Steuereinheit (13) gesteuert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) mit einer Schallwelle einer bestimmten Frequenz beaufschlagt wird, so dass Licht eines der Frequenz der Schallwelle entsprechenden Wellenlängenbereichs eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Amplitude der Frequenzbeschaltung des Bauteils (4) die Leistung des eingekoppelten Lichts (5) beeinflusst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Änderungen der Wellenlänge des Lichts (1, 5) detektiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit einem Spektrometer, Multibanddetektor oder Halbleiterwavemeter (18) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (17, 18, 19) hinter einem teildurchlässigen Spiegel, ei nem dichroitischen Strahlteiler (6), einer unbeschichteten Glasplatte (20) oder einer beschichteten Glasplatte angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelglied (21) über die Steuereinheit (13) das Bauteil (4) im Sinne der Regelung stellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Wellenlänge des Lichts die Frequenz der das Bauteil (4) beaufschlagenden Schallwelle von der Steuereinheit (13) gestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Leistung des Lichts die Amplitude der das Bauteil (4) beaufschlagenden Schallwelle von der Steuereinheit (13) gestellt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis in Form einer elektrischen Schaltung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis eine PLL-Schaltung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Proportionalregler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Proportional-Integralregler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Proportional-Integral-Differentialregler umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung während, vor und/oder nach einem Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgang des konfokalen Rastermikroskops erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung mit einem Beleuchtungs- und/oder Detektionsvorgang des konfokalen Rastermikroskops synchronisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung mindestens zwei verschiedene Meßwerte detektiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der einzustellende Regelungswert durch eine Kalibrationsmessung ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung die Kalibrierungswerte berücksichtigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung zwischen gemessenem Wert und Stellwert über eine LUT erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung zwischen gemessenem Wert und Stellwert mit Hilfe eines Steuerrechners erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei die Verwendung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung sich jeweils auf das Licht einer Wellenlänge bezieht.