GEBIET DER ERFINDUNG
Das Gebiet der vorliegenden Erfindung ist die Vergrößerung
von Bildern von Objekten und insbesondere Mikroskope und das Gebiet von Mikroskopie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mikroskopie wird verwendet, um vergrößerte Darstellungen
von sowohl dynamischen als auch stationären Objekten oder Proben zu erzeugen.
Es gibt viele unterschiedliche Modi von Mikroskopie, wie z.B. Hellfeldmikroskopie,
Dunkelfeldmikroskopie, Phasenkontrastmikroskopie, Fluoreszenzmikroskopie, Reflexions-
oder Auflichtmikroskopie und konfokale Mikroskopie. Sämtliche dieser Formen
von Mikroskopie geben Beleuchtungslicht auf eine gesteuerte Weise zur Probe und
sammeln so viel von dem die gewünschte Information über die Probe enthaltenden
Licht wie möglich. Typischerweise wird dies erreicht, indem man Köhlerbeleuchtung
bei jeglicher von Reflexionsmikroskopie, Durchlichtmikroskopie oder Auflichtfluoreszenzmikroskopie
verwendet. Beide von diesen Verfahren verwenden geeignet angeordnete Blenden und
Linsen, um sowohl die Größe der numerischen Apertur (Beleuchtungskonus)
als auch die Größe des beleuchteten Bereichs der Probe zu steuern. Bei
der Köhlerbeleuchtung werden Blenden an mindestens zwei Stellen angeordnet.
Erstens wird eine Blende in der konjugierten Bildebene der Probe angeordnet, eine
Stelle, die eine Steuerung der Größe des beleuchteten Bereichs der Probe
ermöglicht. Zweitens wird eine Blende in der konjugierten Bildebene der Aperturblende
der Objektivlinse(n) angeordnet (diese Stelle ist auch eine konjugierte Bildebene
der Aperturblende der Kondensorlinse(n)), eine Stelle, die eine Steuerung des Winkels
(der Winkel) des die Probe beleuchtenden Lichts ermöglicht. Typischerweise
kann jegliche von den Blenden eine einfache Irisblende sein (z.B. für Hellfeldmikroskopie
und Auflichtbeleuchtungsfluoreszenzmikroskopie), aber die Blenden können auch
komplexer sein (z.B. bei der Dunkelfeldmikroskopie, wo die Blenden herausgeschnittene
Ringe von unterschiedlichen Durchmessern umfassen können).
Ein Beispiel für ein Mikroskop, das die Köhlerbeleuchtung
verwendet, ist in 1 dargelegt. In der Figur umfasst
ein Mikroskop 2 eine Lichtquelle 4, die eine Mehrzahl von Lichtstrahlen
emittiert, die in erste Lichtstrahlen 6, zweite Lichtstrahlen
8 und dritte Lichtstrahlen 10 unterteilt worden sind. Die Lichtstrahlen
werden entlang einem Beleuchtungsstrahlengang 3 von der Lichtquelle
4 durch eine Lichtquellenlinse 12, eine einstellbare Irisfeldblende
14 und Kondensorlinsen 16 durchgelassen. Eine einstellbare Irisaperturblende
(Kondensor) 18 kann zwischen eintrittsseitigen und austrittsseitigen Kondensorlinsen
16 angeordnet sein. Das Licht trifft dann eine Probe 20 oder trifft
auf diese auf und setzt dann seinen Weg fort, um durch Objektivlinsen
22 hindurch zu treten, welche Objektivlinsen eine Aperturblende (Objektiv)
24 umfassen können, die zwischen den Objektivlinsen 22 im
Abstand angeordnet ist, und dann setzen die Lichtstrahlen ihren Weg zu einem Lichtdetektor
26 fort. Wie oben erwähnt, kann der Beleuchtungswinkel der Probe gesteuert
werden, indem man das Licht moduliert, während es durch konjugierte Bildebenen
der Aperturblende der Objektivlinse hindurch tritt, welche Ebenen z.B. bei der Lichtquelle
4 und der eintrittsseitigen Aperturblende 18 in 1
gefunden werden können, während die Stelle und/oder der Bereich einer
Beleuchtung der Probe gesteuert werden kann, indem man Licht moduliert, während
es durch eine konjugierte Bildebene der Probe hindurch tritt, welche Ebene der einstellbaren
Irisfeldblende 14 in 1 entspricht.
Eine bevorzugte Form von Mikroskopie ist konfokale Mikroskopie, bei
der diskrete Aperturflecken in der Objektebene des Mikroskops beleuchtet werden,
von welcher Durch-, Reflexions- oder Fluoreszenzlicht dann durch konjugierte Aperturen
in der Bildebene zur Beobachtung weitergeleitet wird. In einigen Ausführungsformen
kann konfokale Mikroskopie zu einer räumlichen Auflösung führen,
die etwa 1,3 mal besser ist als die beste Auflösung, die durch herkömmliche
Lichtmikroskopie erhältlich ist. Siehe z.B. das US-Patent No. 5,587,832. Außerdem
kann konfokale Mikroskopie die Interferenz von streuendem defokussiertem Licht von
einer beobachteten Probe über oder unter der Brennebene verringern und kann
eine optische Schnittanfertigung von Gewebe sowie eine hochauflösende 3D-Rekonstruktion
des Gewebes ermöglichen. Die Technik kann einzelne Zellen und lebendes Gewebe
ohne Anfärben wirkungsvoll auflösen. Konfokale Mikroskopie kann durchgeführt
werden, indem man eine mechanische Translationsbewegung der Probe mit fester Optik
verwendet oder indem man eine feste Probe und Abtaststrahlen verwendet, die durch
spezielle rotierende Lochscheiben gehandhabt werden. Siehe das US-Patent No. 4,802,748,
das US-Patent No. 5,067,805, das US-Patent No. 5,099,363, das US-Patent No. 5,162,941.
Solche Scheiben umfassen typischerweise eine Mehrzahl von Aperturen, aber es wird
jeweils nur eine einzige Apertur für ein konfokales Abtasten verwendet. Noch
andere bekannte konfokale Abtastsysteme haben einen Laserstrahl, der mit rotierenden
Spiegeln gerastert wird, um eine Probe abzutasten, oder einen Laserstrahl verwendet,
der einen Schlitz statt eines Flecks abtastet; ein solches Schlitzabtasten erhöht
die Abbildungsgeschwindigkeit, verschlechtert aber geringfügig die Auflösung.
Siehe das US-Patent No. 5,587,832.
Die DE-A-31 08 389 offenbart ein Mikroskop gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche 1, 2 und 19. Dieses Mikroskop umfasst ein Helligkeitssteuersystem,
bei dem die Helligkeitsbedingungen vorgewählt werden können, indem man
eine elektronische Steuerschaltung verwendet. Das Objekt, das untersucht wird, wird
auf einen Objekttisch angeordnet. Ein Kondensorlinsensystem lenkt den Strahl von
der Lichtquelle zum Objekt. Eine elektrisch gesteuerte Lichtdurchlasseinheit wird
in den Pfad des Strahls von der Lichtquelle durch das Kondensorlinsensystem hindurch
angeordnet. Eine Oberfläche der Einheit wird mit einem elektro-optischen Material
unter rechtem Winkel zum Pfad des Lichts bedeckt. Die Elektroden sind an gegenüberliegenden
Oberflächen angebracht. Verschiedene Muster zum Anregen des elektro-optischen
Materials werden bereitgestellt. Die Elektroden werden selektiv gesteuert.
JP-A-03 134608 (Patent Abstracts of Japan Vol. 015, No. 349 (P-1247))
offenbart einen Scan-Mechanismus mit einem einzigen Beleuchtungsstrahlengang, der
Probenbeleuchtungslicht durch eine Blendenreihe schafft, wenn die Beleuchtung als
ein kleiner Lichtpunkt P auf eine Probe zusammengeführt wird und das Bild des
Lichtstromes des durchgelassenen Lichtes an einem Punkt Q auf einem Flüssigkristallfeld
gebildet wird, dann eine der Blenden aufeinanderfolgend und selektiv geöffnet
wird und das Licht auf eine Lichtempfangsfläche eines Photodetektors fallen
gelassen wird, um ein Signal S zu erzeugen, das die Helligkeit des Punktbildes Q
anzeigt. Auf diese Weise wird die Position des Punktbildes Q zweidimensional bewegt,
wenn der Lichtpunkt P zweidimensional abgetastet wird.
Bei herkömmlichen konfokalen Mikroskopen kann es lange dauern,
um Bilder für gewisse Anwendungen zu erfassen, und es kann sogar noch länger
dauern, wenn die Abtastzeilendichte ansteigt und die Aperturtrennung abnimmt. Außerdem
ist es schwierig, die Perimeter des konfokalen Mikroskops in handelsüblichen
Systemen praktisch einzustellen und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) wird
geopfert, um die Abbildungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Außerdem kann eine
richtige Ausrichtung von herkömmlichen konfokalen Systemen kritisch und schwierig
aufrechtzuerhalten sein. Außerdem sind Systeme auf Laser-Basis zwar kostspieliger
als Weißlichtsysteme, aber solche Lasersysteme bieten keine Auswahl von Beleuchtungswellenlängen
und können auch zu Fototoxizität und einer schnellen Fotoausbleichung
führe
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in einem Mikroskop
und in einem Verfahren zum Projizieren eines ausgewählten Bildes in eine Bildebene
der Probe des Mikroskops.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Mikroskop und
durch das in Anspruch 17 angegebene Verfahren gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass der Winkel
der Beleuchtung einer Probe einfach und schnell gesteuert werden kann und dass die
Lichtmenge, die die Probe erreicht, einfach und leicht gesteuert werden kann, einschließlich
sowohl der Änderung der absoluten Lichtmenge als auch der Stelle auf der Probe,
auf die die Lichtmenge auftrifft.
Die vorliegende Erfindung stellt Mikroskope bereit, wie in Anspruch
1 definiert.
In bestimmten Ausführungsformen ist der eintrittsseitige räumliche
Lichtmodulator in sowohl dem ersten Beleuchtungsstrahlengang als auch dem zweiten
Beleuchtungsstrahlengang angeordnet, und ein erster Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel
des Beleuchtungsarrays liefert Beleuchtungslicht zur Probe, und ein zweiter Teil
der einzelnen Lichtdurchlasspixel des Beleuchtungsarrays befindet sich in einem
Ein/Aus-Zustand, entsprechend dem ausgewählten Bild.
In weiteren Ausführungsformen, in denen die Mikroskope weiter
einen Lichtdetektor umfassen, der austrittsseitig von der Probe in einem Detektionsstrahlengang
an einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, wobei der räumliche
Lichtmodulator und der Lichtdetektor mit mindestens einem Kontroller funktional
verbunden sind, der Computerimplementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators steuert und die die Lichtintensitätsdetektionsdaten
zusammenstellt, die vom Lichtdetektor bereitgestellt werden, variiert der Kontroller
selektiv den Ein/Aus-Zustand von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des räumlichen
Lichtmodulators, um die auf ausgewählte Flecken der Probe auftreffende Lichtintensität
zu variieren und dadurch die Intensität von Licht zu variieren, das von den
ausgewählten Flecken der Probe ausgeht und auf mindestens ein Pixel des Lichtdetektors
auftrifft.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zum Projizieren eines
ausgewählten Bildes in eine Bildebene einer Probe eines Mikroskops, wie in
Anspruch 15 definiert. Abhängige Ansprüche definieren zusätzliche
Ausführungsformen.
In anderen Ausführungsformen, in denen das Mikroskop weiter einen
Lichtdetektor umfasst, der ein Detektionsarray umfasst, umfassen die Verfahren weiter:
selektives Variieren des Ein/Aus-Zustands von einzelnen Lichtdurchlasspixeln
des räumlichen Lichtmodulators, um die auf ausgewählte Flecken der Probe
auftreffende Lichtintensität zu variieren und dadurch die Intensität von
Licht zu variieren, das von den ausgewählten Flecken der Probe ausgeht und
auf mindestens ein Pixel des Lichtdetektors auftrifft.
Die Mikroskope weisen signifikante Vorteile beim Steuern des Lichts
auf, das mit einer Probe in Berührung kommt und/oder das ausgehend von einer
Probe detektiert wird. Die Steuerung umfasst eine verbesserte selektive Steuerung
des Beleuchtungswinkels, der Lichtmenge und der Stelle von Licht, das die Probe
und/oder den Detektor erreicht. Die Vorteile werden erhalten, indem einer oder mehrere
räumliche Lichtmodulatoren in den Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang
des Mikroskops an einer oder beiden der konjugierten Bildebene der Aperturblende
der Objektivlinse und der konjugierten Bildebene der Probe platziert werden.
Die Mikroskope umfassen einen räumlichen Lichtmodulator, der
ein Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst, wobei der räumliche
Lichtmodulator in einem Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops an einer konjugierten
Bildebene einer Aperturblende einer Objektivlinse angeordnet ist, um einen eintrittsseitigen
räumlichen Lichtmodulator bereitzustellen.
Die Mikroskope steuern selektiv den Beleuchtungswinkel einer Probe
und den Detektionswinkel von Licht, das von der Probe ausgeht, wobei der eintrittsseitige
räumliche Lichtmodulator mit einem Modulatorkontroller funktional verbunden
ist, der Computerimplementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des räumlichen Lichtmodulators steuert, um einen gewünschten Beleuchtungs-
und Detektionswinkel der Probe auszuwählen, und wobei ein ausgewählter
Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel entsprechend dem gewünschten Beleuchtungs-
und Detektionswinkel eingeschaltet ist. Die Mikroskope steuern selektiv eine Lichtmenge,
die eine Probe erreicht, wobei die Menge kleiner als sämtliches Licht ist,
das durch eine Lichtquelle emittiert wird, die an einem Anfang des Beleuchtungsstrahlengangs
angeordnet ist, wobei der eintrittsseitige räumliche Lichtmodulator mit einem
Modulatorkontroller funktional verbunden ist, der Computerimplementierte Programmierung
enthält, die Durchlasseigenschaften des räumlichen Lichtmodulators steuert,
um eine gewünschte Beleuchtungsmenge auszuwählen, und wobei ein ausgewählter
Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel entsprechend der gewünschten Beleuchtungsmenge
eingeschaltet ist.
Die Mikroskope können Durchlicht- oder Reflexionsmikroskope sein.
Die Mikroskope können eine Linse umfassen, die im Beleuchtungsstrahlengang
zwischen einer Lichtquelle und dem räumlichen Lichtmodulator angeordnet ist,
wobei die Lichtquelle an einer konjugierten Bildebene einer Aperturblende der Objektivlinse
angeordnet ist, die eintrittsseitig von dem eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator
angeordnet ist. Die Mikroskope können weiter einen zweiten räumlichen
Lichtmodulator umfassen, der in einem Detektionsstrahlengang angeordnet ist, der
an einer austrittsseitigen konjugierten Bildebene einer Aperturblende der Objektivlinse
angeordnet ist und mit einem zweiten Modulatorkontroller funktional verbunden ist,
der Computer-implementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des zweiten räumlichen Lichtmodulators steuert. Vorzugsweise ist der erste
Modulatorkontroller mit dem zweiten Modulatorkontroller funktional verbunden, so
dass der zweite Lichtmodulator das Licht im Detektionsstrahlengang selektiv steuert,
um dem gewünschten Winkel zu entsprechen, der durch den ersten Modulatorkontroller
ausgewählt ist; die verschiedenen Kontroller, die hierin erörtert sind,
können separate Kontroller sein oder können ein einziger Kontroller sein.
Die Mikroskope können Dunkelfeldmikroskopie bereitstellen, wobei
der eintrittsseitige räumliche Lichtmodulator mit einem ersten Modulatorkontroller
funktional verbunden ist, der Computer-implementierte Programmierung enthält,
die Durchlasseigenschaften des räumlichen Lichtmodulators steuert, um ein gewünschtes
Muster zur Dunkelfeldmikroskopie auszuwählen, und ein ausgewählter Teil
der einzelnen Lichtdurchlasspixel entsprechend dem gewünschten Muster zur Dunkelfeldmikroskopie
eingeschaltet ist und ein zweiter räumlicher Lichtmodulator in einem Detektionsstrahlengang
angeordnet ist, der an einer austrittsseitigen konjugierten Bildebene einer Aperturblende
der Objektivlinse angeordnet ist und mit einem zweiten Modulatorkontroller funktional
verbunden ist, der Computerimplementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des zweiten räumlichen Lichtmodulators steuert, um ein komplementäres
Muster der einzelnen Lichtdurchlasspixel des zweiten räumlichen Lichtmodulators
auszuwählen, um das Muster von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des ersten räumlichen
Lichtmodulators zu ergänzen, die eingeschaltet sind, wodurch ein komplementäres
Muster der einzelnen Lichtdurchlasspixel des zweiten räumlichen Lichtmodulators
bereitgestellt wird, die eingeschaltet sind.
Die Mikroskope können zwischen Dunkelfeldmikroskopie und Hellfeldmikroskopie
wechseln. Dies kann z.B. erzielt werden, wobei der erste Modulatorkontroller und
der zweite Modulatorkontroller die Durchlasseigenschaften des ersten und zweiten
räumlichen Lichtmodulators steuern, um zwischen Hellfeldmikroskopie und mindestens
einem gewünschten Muster zur Dunkelfeldmikroskopie zu schalten.
Für diese und andere Ausführungsformen, die ein Durchlaufen eines Zyklus
oder ein Verfahren umfassen, führen die Mikroskope vorzugsweise das Verfahren
oder den Zyklus aus, um z.B. zwischen Dunkelfeldmikroskopie und Hellfeldmikroskopie
mit einer Zyklus- oder Verfahrenszeit von weniger als die Zeit hin- und her zu wechseln,
die für den Detektor, wie z.B. ein menschliches Auge oder eine Videokamera,
benötigt wird, um ein Bild zu erfassen, z.B. weniger als etwa 0,03 Sekunden,
wodurch ein Echtzeitbetrachten bereitgestellt wird, wenn gewünscht. In anderen
bevorzugten Ausführungsformen wechseln die Mikroskope zwischen Dunkelfeldmikroskopie
und Hellfeldmikroskopie ohne Neufokussieren hin und her.
Die Mikroskope umfassen einen Lichtdetektor, der an einem austrittsseitigen
Ende eines Detektionsstrahlengangs angeordnet ist, wobei der Lichtdetektor ein Detektionsarray
von einzelnen Detektionspixeln umfasst. In einigen Modifikationen entspricht das
Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln dem Beleuchtungsarray von einzelnen
Lichtdurchlasspixeln in dem eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator und
ist damit ausgerichtet, und das Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln ist
mit einem Detektorkontroller funktional verbunden, und das Beleuchtungsarray von
einzelnen Lichtdurchlasspixeln im räumlichen Lichtmodulator ist mit dem Modulatorkontroller
verbunden, so dass der Modulatorkontroller Computer-implementierte Programmierung
enthält, die eine Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln der Probe
auswählt, und der Detektorkontroller enthält Computer-implementierte Programmierung,
die die Änderungen in einer Intensität im Detektionsarray von einzelnen
Detektionspixeln entsprechend der Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungs- und
Detektionswinkeln detektiert und daraus ein dreidimensionales Bild der Probe bestimmt.
In anderen Modifikationen, die mit den vorhergehenden Modifikationen kombiniert
werden können, wählt der Modulatorkontroller eine Mehrzahl von gewünschten
Beleuchtungswinkeln der Probe aus, um eine Mehrzahl von Bildern der Probe bei einer
entsprechenden Mehrzahl von unterschiedlichen Tiefen in der Probe bereitzustellen,
und ein Rekonstruktionskontroller umfasst Computer-implementierte Programmierung,
die die unterschiedlichen Bilder tomographisch rekonstruiert, um ein dreidimensionales
Bild der Probe bereitzustellen.
Der Modulatorkontroller kann die Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln
der Probe auswählen, so dass die Mehrzahl von Bildern der Probe bei einer entsprechenden
Mehrzahl von unterschiedlichen Tiefen erhalten werden, ohne dass die Probe, eine
Kondensorlinse oder eine Objektivlinse bewegt werden.
Der Lichtdetektor kann ein Ladungsspeicherbauelement, ein Ladungsinjektionsbauelement,
eine Videokamera sein, und die Mikroskope können ein oder mehrere Fotovervielfacher
und/oder Okulare sein, die an einem austrittsseitigen Ende des Detektionsstrahlengangs
angeordnet sind. Der räumliche Lichtmodulator kann z.B. ein digitales Mikrospiegelbauelement,
Mikroverschlussblende oder ein Flüssigkristallbauelement sein.
Die Mikroskope können eine variable Feldirisblende umfassen,
wobei die Mikroskope einen räumlichen Lichtmodulator umfassen, der ein Beleuchtungsarray
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst und in einem Beleuchtungsstrahlengang
an einer konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet ist, um einen eintrittsseitigen
räumlichen Lichtmodulator bereitzustellen und der mit einem Modulatorkontroller
funktional verbunden ist, der Computer-implementierte Programmierung enthält,
die Durchlasseigenschaften des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators
steuert, um eine Mehrzahl von gewünschten Feldirisblendeneinstellungen auszuwählen.
Die einzelnen Lichtdurchlasspixel des Beleuchtungsarrays können entsprechend
der gewünschten Feldirisblendeneinstellung im Ein/Aus-Zustand sein.
Die Mikroskope können eine gleichförmige Beleuchtungslichtintensität
zu einer Probe liefern, wobei die Mikroskope umfassen: einen räumlichen Lichtmodulator,
der ein Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst und in einem
Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist,
um einen eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator bereitzustellen, und einen
Lichtdetektor, der ein Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln umfasst und
austrittsseitig von dem eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator an einer
konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, und der Licht direkt von dem eintrittsseitigen
räumlichen Lichtmodulator empfängt, wobei der räumliche Lichtmodulator
und der Lichtdetektor mit mindestens einem Kontroller funktional verbunden sind,
der Computer-implementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators steuert und die die Lichtintensitätsdetektionsdaten
zusammenstellt, die vom Lichtdetektor bereitgestellt werden, wobei der mindestens
eine Kontroller den Ein/Aus-Zustand von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des räumlichen
Lichtmodulators selektiv variiert, um ungleichförmige Lichtintensitäten
zu kompensieren, die durch den Lichtdetektor detektiert werden, wodurch eine gleichförmige
Beleuchtungslichtintensität geliefert wird, die zur Probe durchgelassen wird.
Die Mikroskope können die Intensität von Licht, das von
einer Probe ausgeht, zu einem Lichtdetektor variieren, wobei die Mikroskope umfassen:
einen räumlichen Lichtmodulator, der ein Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln
umfasst und in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten
Bildebene der Probe angeordnet ist, um einen eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator
bereitzustellen, und den Lichtdetektor, der ein Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln
umfasst und austrittsseitig von der Probe in einem Detektionsstrahlengang an einer
konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, wobei der räumliche Lichtmodulator
und der Lichtdetektor mit mindestens einem Kontroller funktional verbunden sind,
der Computer-implementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators steuert und die die Lichtintensitätsdetektionsdaten
zusammenstellt, die vom Lichtdetektor bereitgestellt werden, wobei der Kontroller
den Ein/Aus-Zustand von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des räumlichen Lichtmodulators
selektiv variiert, um die auf ausgewählte Flecken der Probe auftreffende Lichtintensität
zu variieren und dadurch die Intensität von Licht zu variieren, das von den
ausgewählten Flecken der Probe ausgeht und auf mindestens ein Pixel des Lichtdetektors
auftrifft.
Der Kontroller kann den Ein/Aus-Zustand von einzelnen Lichtdurchlasspixeln
des räumlichen Lichtmodulators selektiv variieren, so dass, wenn die Lichtintensität,
die auf ein Pixel des Lichtdetektors auftrifft, größer als oder gleich
einem Schwellenwert ist, der anzeigt, dass die Lichtintensität benachbarte
Pixel signifikant nachteilig beeinträchtigt, dann mindestens ein entsprechendes
Pixel im eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator für eine
Zeit ausgeschaltet wird, die ausreicht, um die Lichtintensität,
die auf das Pixel des Lichtdetektors auftrifft, unter den Schwellenwert zu verringern.
In weiteren Ausführungsformen variiert der Kontroller selektiv den Ein/Aus-Zustand
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des räumlichen Lichtmodulators, so dass
die Lichtintensität, die auf das Detektionsarray von Pixeln des Lichtdetektors
auftrifft, über das Detektionsarray gleichförmig ist, und bestimmt der
Kontroller die Lichtintensitätseigenschaften der Probe, indem eine Zeit bestimmt
wird, in der einzelne Pixel im Beleuchtungsarray des eintrittsseitigen räumlichen
Lichtmodulators ein- oder ausgeschaltet sind.
Die Mikroskope können weiter einen zweiten räumlichen Lichtmodulator
umfassen, der im Detektionsstrahlengang angeordnet ist, der an einer austrittsseitigen
konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet ist und mit einem zweiten Modulatorkontroller
funktional verbunden ist, der Computer-implementierte Programmierung enthält,
die Durchlasseigenschaften des zweiten räumlichen Lichtmodulators steuert.
In anderen Ausführungsformen können die Mikroskope ein konfokales Mikroskop
sein. Das Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln kann dem Beleuchtungsarray
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln in dem eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator
entsprechen und mit ihm ausgerichtet sein. Der mindestens eine Kontroller enthält
Computer-implementierte Programmierung, die Durchlasseigenschaften des eintrittsseitigen
räumlichen Lichtmodulators steuert, um mindestens einen Beleuchtungsfleck zur
Probe zu liefern, indem bewirkt wird, dass mindestens ein einzelnes Lichtdurchlasspixel
des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators eingeschaltet ist, während
benachbarte Pixel ausgeschaltet sind, und das Detektionsarray detektiert selektiv
den Beleuchtungsfleck. Der mindestens eine Kontroller kann bewirken, dass der eintrittsseitige
räumliche Lichtmodulator gleichzeitig eine Mehrzahl der Beleuchtungsflecken
bildet und sequenzielle komplementäre Muster der Flecken bereitstellt.
Der mindestens eine Kontroller kann bewirken, dass der Lichtdetektor
nur Licht detektiert, das auf ein mittiges Detektionspixel auftrifft, das mit einem
einzelnen Lichtdurchlasspixel des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators,
das eingeschaltet ist, ausgerichtet ist und ihm entspricht. Der mindestens eine
Kontroller kann auch bewirken, dass der Lichtdetektor Licht detektiert, das auf
ein mittiges Detektionspixel auftrifft, das mit einem einzelnen Lichtdurchlasspixel
des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators ausgerichtet ist, das eingeschaltet
ist, und Licht detektiert, das auf mindestens ein Detektionspixel auftrifft, das
benachbart zum mittigen Detektionspixel ist, und der Kontroller enthält Computer-implementierte
Programmierung, die die Daten zusammenstellt, die durch das mindestens eine benachbarte
Detektionspixel bereitgestellt werden, und kombiniert sie mit den Daten, die durch
das mittige Detektionspixel bereitgestellt werden. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
stellt die Computer-implementierte Programmierung die Daten zusammen, die durch
die benachbarten Detektionspixel bereitgestellt werden, und kombiniert sie mit den
Daten, die durch das mittige Detektionspixel bereitgestellt werden, so dass die
Rückweisung der Nicht-im-Fokus-Information des Mikroskops verbessert wird,
im Vergleich mit dem Fokus ohne die Daten von den benachbarten Detektionspixeln,
und/oder stellt die Daten zusammen, die durch die benachbarten Detektionspixel bereitgestellt
werden, und kombiniert sie mit den Daten, die durch das mittige Detektionspixel
bereitgestellt werden, um die Lichtabsorptionseigenschaften der Probe zu bestimmen.
Die Mikroskope können einen ersten räumlichen Lichtmodulator
umfassen, der ein erstes Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst,
wobei der erste räumliche Lichtmodulator in einem Beleuchtungsstrahlengang
an einer konjugierten Bildebene einer Aperturblende einer Objektivlinse angeordnet
ist, um einen ersten eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator und einen
zweiten räumlichen Lichtmodulator bereitzustellen, der ein zweites Beleuchtungsarray
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst und im Beleuchtungsstrahlengang
an einer konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet ist, um einen zweiten eintrittsseitigen
räumlichen Lichtmodulator bereitzustellen. Die Mikroskope können weiter
einen dritten räumlichen Lichtmodulator, der an der austrittsseitigen konjugierten
Bildebene einer Aperturblende der Objektivlinse angeordnet ist, umfassen, und/oder
es ist ein vierter räumlicher Lichtmodulator im Detektionsstrahlengang angeordnet
und an der austrittsseitigen konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet, sowie
auch gewünschte Detektoren und/oder Kontroller.
Die Mikroskope können konfokale Eigenschaften bereitstellen und
den Beleuchtungswinkel einer Probe und den Detektionswinkel von Licht, das von der
Probe ausgeht, selektiv steuern, wobei die Computer-implementierte Programmierung,
die Durchlasseigenschaften des ersten räumlichen Lichtmodulators steuert, einen
gewünschten Beleuchtungs- und Detektionswinkel der Probe auswählt, und
wobei ein ausgewählter Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel des ersten räumlichen
Lichtmodulators entsprechend dem gewünschten Beleuchtungs- und Detektionswinkel
eingeschaltet ist, und wobei die Computer-implementierte Programmierung, die Durchlasseigenschaften
des zweiten räumlichen Lichtmodulators steuert, mindestens einen Beleuchtungsfleck
zur Probe liefert, indem bewirkt wird, dass mindestens ein einzelnes Lichtdurchlasspixel
des zweiten räumlichen Lichtmodulators eingeschaltet ist, während benachbarte
Pixel ausgeschaltet sind und die Detektionspixel des Detektionsarrays positioniert
sind, um den Beleuchtungsfleck selektiv zu detektieren.
Die Computer-implementierte Programmierung kann bewirken, dass das
Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln im ersten räumlichen Lichtmodulator
eine Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln der Probe bereitstellt und
dass das Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln Änderungen in einer
Intensität im Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln entsprechend der
Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln detektiert, und daraus ein dreidimensionales
Bild der Probe bestimmen. Die Computer-implementierte Programmierung kann auch bewirken,
dass das Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln im ersten räumlichen
Lichtmodulator eine Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln der Probe
bereitstellt, um eine Mehrzahl von Bildern der Probe an einer entsprechenden Mehrzahl
von unterschiedlichen Tiefen in der Probe bereitzustellen, und rekonstruiert dann
die unterschiedlichen Bilder, um ein dreidimensionales Bild der Probe bereitzustellen.
Diese Ausführungsformen werden vorzugsweise ohne Bewegen der Probe, einer Kondensorlinse
oder einer Objektivlinse bewerkstelligt und können auch eine Dunkelfeldmikroskopie
selektiv bereitstellen, indem bewirkt wird, dass das Beleuchtungsarray von einzelnen
Lichtdurchlasspixeln im ersten räumlichen Lichtmodulator ein gewünschtes
Muster zur Dunkelfeldmikroskopie bereitstellt, und ein ausgewählter Teil der
einzelnen Lichtdurchlasspixel entsprechend dem gewünschten Muster zur Dunkelfeldmikroskopie
ist eingeschaltet, und ein komplementäres Muster der einzelnen Lichtdurchlasspixel
des dritten räumlichen Lichtmodulators ist eingeschaltet. Die Mikroskope können
zwischen Dunkelfeldmikroskopie und Hellfeldmikroskopie ohne Neufokussieren wechseln.
Die Computer-implementierte Programmierung kann auch bewirken, dass
der Lichtdetektor nur Licht detektiert, das auf ein mittiges Detektionspixel auftrifft,
das mit einem einzelnen Lichtdurchlasspixel des zweiten räumlichen Lichtmodulators,
das eingeschaltet ist, ausgerichtet ist und ihm entspricht, und kann die Daten zusammenstellen,
die durch das mindestens eine benachbarte Detektionspixel bereitgestellt werden,
und sie mit den Daten kombinieren, die durch das mittige Detektionspixel bereitgestellt
werden. Folglich kann die Computer-implementierte Programmierung die Daten zusammenstellen,
die durch die benachbarten Detektionspixel bereitgestellt werden, und sie mit den
Daten kombinieren, die durch das mittige Detektionspixel bereitgestellt werden,
so dass der Fokus des Mikroskops verbessert wird, im Vergleich mit dem Fokus ohne
die Daten von den benachbarten Detektionspixeln.
Die Mikroskope können auch zeitverzögerte Fluoreszenzdetektion
bereitstellen, wobei die Computer-implementierte Programmierung bewirkt, dass mindestens
einer von den räumlichen Lichtmodulatoren die Probe für eine Zeit beleuchtet,
die ausreicht, um eine Fluoreszenz in der Probe zu induzieren, und dann die Beleuchtung
der Probe aufhören lässt und dann bewirkt, dass der Detektor damit beginnt,
eine Fluoreszenz zu detektieren, die von der Probe ausgeht.
Die Mikroskope können eine Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
umfassen, die in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene
einer Aperturblende einer Objektivlinse angeordnet ist, welche Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation eine Einrichtung zum selektiven Steuern eines gewünschten Beleuchtungswinkels
einer Probe umfassen kann, wobei die Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
mit einer Computereinrichtung zum Steuern von Durchlasseigenschaften des räumlichen
Lichtmodulators funktional verbunden ist, um den gewünschten Beleuchtungswinkel
der Probe auszuwählen. Die Mikroskope können eine variable Feldirisblende
umfassen, wobei die Mikroskope eine Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
umfassen, die in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene
einer Probe angeordnet ist, wobei die umfassende Einrichtung zur
räumliche Lichtmodulation mit einer Computereinrichtung zum Steuern von Durchlasseigenschaften
des räumlichen Lichtmodulators und zum Auswählen einer Mehrzahl von gewünschten
Feldirisblendeneinstellungen funktional verbunden ist.
Die Mikroskope können ein ausgewähltes Bild in die Bildebene
einer Probe projizieren, wobei das Mikroskop eine Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation umfasst, die in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten
Bildebene der Probe angeordnet ist, wobei die Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
mit mindestens einer Computereinrichtung zum Steuern von Durchlasseigenschaften
der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation und zur Projektion des ausgewählten
Bilds in die Bildebene der Probe funktional verbunden ist, wobei das Mikroskop weiter
einen zweiten Beleuchtungsstrahlengang umfasst, der Beleuchtungslicht zur Probe
bereitstellt.
Die Mikroskope können eine gleichförmige Beleuchtungslichtintensität
zu einer Probe liefern, wobei das Mikroskop umfasst: eine Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation, die in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene
der Probe angeordnet ist, und eine Einrichtung zur Detektion von Licht, die austrittsseitig
von der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation an einer konjugierten Bildebene
der Probe angeordnet ist und die Licht direkt von der Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation empfängt, wobei die Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
und die Einrichtung zur Detektion von Licht mit mindestens einer Computereinrichtung
zum Steuern von Durchlasseigenschaften der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
funktional verbunden sind und die die Lichtintensitätsdetektionsdaten zusammenstellt,
die durch die Einrichtung zur Detektion von Licht bereitgestellt werden, wobei die
Computereinrichtung die Durchlasseigenschaften der Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation selektiv steuert, um ungleichförmige Lichtintensitäten
zu kompensieren, die durch den Lichtdetektor detektiert werden, wodurch eine gleichförmige
Beleuchtungslichtintensität geliefert wird, die zur Probe durchgelassen wird.
Die Mikroskope können die Intensität von Licht, das von einer Probe ausgeht,
zu einer Einrichtung zur Detektion von Licht variieren, wobei das Mikroskop umfasst:
eine Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation, die in einem Beleuchtungsstrahlengang
an einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, und eine Einrichtung zur
Detektion von Licht, die austrittsseitig von der Probe in einem Detektionsstrahlengang
an einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, wobei die Einrichtung
zur räumlichen Lichtmodulation und die Einrichtung zur Detektion von Licht
mit mindestens einer Computereinrichtung zum Steuern von Durchlasseigenschaften
der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation funktional verbunden sind und
die die Lichtintensitätsdetektionsdaten zusammenstellt, die durch die Einrichtung
zur Detektion von Licht bereitgestellt werden, wobei die Computereinrichtung die
Durchlasseigenschaften der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation selektiv
steuert, um die auf ausgewählte Flecken der Probe auftreffende Lichtintensität
zu variieren und dadurch die Intensität von Licht zu variieren, das von den
ausgewählten Flecken der Probe ausgeht und auf mindestens ein Pixel des Lichtdetektors
auftrifft.
Die Computereinrichtung kann die Durchlasseigenschaften der Einrichtung
zur räumlichen Lichtmodulation selektiv variieren, so dass, wenn die Lichtintensität,
die auf ein Pixel der Einrichtung zur Detektion von Licht auftrifft, größer
als oder gleich einem Schwellenwert ist, der anzeigt, dass die Lichtintensität
benachbarte Pixel signifikant nachteilig beeinflusst, dann die Durchlasseigenschaften
der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation für eine Zeit variiert
werden, die ausreicht, um die Lichtintensität, die auf das Pixel der Einrichtung
zur Detektion von Licht auftrifft, unter den Schwellenwert zu verringern. Die Computereinrichtung
kann auch die Durchlasseigenschaften der Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation
selektiv variieren, so dass die Lichtintensität, die auf die Einrichtung zur
Detektion von Licht auftrifft, gleichförmig über der Einrichtung zur Detektion
von Licht ist, und die Computereinrichtung bestimmt die Lichtintensitätseigenschaften
der Probe, indem eine Variation der Durchlasseigenschaften der Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation bestimmt wird. Die Mikroskope können weiter eine zweite Einrichtung
zur räumlichen Lichtmodulation umfassen, die im Detektionsstrahlengang an einer
austrittsseitigen konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet ist und mit einer
zweiten Computereinrichtung zum Steuern von Durchlasseigenschaften der zweiten Einrichtung
zur räumlichen Lichtmodulation funktional verbunden ist.
Die Mikroskope können umfassen: eine erste Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation, die in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene
einer Aperturblende einer Objektivlinse angeordnet ist, und eine zweite Einrichtung
zur räumlichen Lichtmodulation, die im Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten
Bildebene einer Probe angeordnet ist. Die Mikroskope können weiter umfassen:
eine dritte Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation, die an einer austrittsseitigen
konjugierten Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse angeordnet ist, eine
vierte Einrichtung zur räumlichen Lichtmodulation, die im Detektionsstrahlengang
angeordnet ist und an der austrittsseitigen konjugierten Bildebene der Probe angeordnet
ist, oder eine Einrichtung zur Detektion von Licht, die an einem austrittsseitigen
Ende des Detektionsstrahlengangs angeordnet ist. Sämtliche Einrichtungen zur
räumlichen Lichtmodulation und die Einrichtungen zur Detektion
von Licht können mit mindestens einer Computereinrichtung zum Steuern der Lichtdurchlass-
oder Detektionseigenschaften von der mindestens einen Einrichtung zur räumlichen
Lichtmodulation und der Einrichtung zur Detektion von Licht funktional verbunden
sein.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Verfahren weiter ein
selektives Steuern eines Beleuchtungswinkels einer Probe und eines Detektionswinkels
von Licht, das von der Probe ausgeht, indem ein ausgewählter Teil der einzelnen
Lichtdurchlasspixel entsprechend dem gewünschten Beleuchtungs- und Detektionswinkel
eingeschaltet wird. In anderen Ausführungsformen umfassen die Verfahren weiter
ein selektives Steuern der Lichtmenge, die eine Probe erreicht, wobei die Menge
kleiner als sämtliches Licht ist, das von der Lichtquelle emittiert wird, die
an einem Anfang des Beleuchtungsstrahlengangs angeordnet ist, wobei die Verfahren
umfassen: Auswählen einer gewünschten Beleuchtungsmenge, indem ein ausgewählter
Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel entsprechend der gewünschten Beleuchtungsmenge
eingeschaltet wird. In weiteren Ausführungsformen umfassen die Verfahren weiter
Dunkelfeldmikroskopie, und die Verfahren umfassen weiter: In-Betrieb-nehmen eines
ausgewählten Teils der einzelnen Lichtdurchlasspixel des Beleuchtungsarrays
entsprechend einem gewünschten Muster zur Dunkelfeldmikroskopie, und In-Betrieb-nehmen
eines ausgewählten Teils des zweiten Arrays entsprechend einem komplementären
Muster, das das gewünschte Muster des Beleuchtungsarrays ergänzt. Die
Verfahren können weiter ein Wechseln zwischen Dunkelfeldmikroskopie und Hellfeldmikroskopie
mit oder ohne Neufokussieren umfassen.
In den Fällen, in denen der räumliche Lichtmodulator mit
einem Modulatorkontroller, der Computer-implementierte Programmierung enthält,
die Durchlasseigenschaften des räumlichen Lichtmodulators steuert, verbunden
ist, und das Mikroskop weiter einen Lichtdetektor umfasst, der ein Detektionsarray
von einzelnen Detektionspixeln umfasst und an einem austrittsseitigen Ende eines
Detektionsstrahlengangs angeordnet ist, wobei der Lichtdetektor mit einem Detektorkontroller
funktional verbunden ist, der Computerimplementierte Programmierung enthält,
die Detektionseigenschaften des Detektionsarrays steuert, und umfassen die Verfahren
weiter: Auswählen einer Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln der
Probe, und Detektieren der Änderungen in einer Intensität im Detektionsarray
entsprechend der Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln, und daraus Bestimmen
eines dreidimensionalen Bilds der Probe. Alternativ können die Verfahren weiter
umfassen: Auswählen einer Mehrzahl von gewünschten Beleuchtungswinkeln
der Probe, um eine Mehrzahl von Bildern der Probe an einer entsprechenden Mehrzahl
von unterschiedlichen Tiefen in der Probe bereitzustellen, und tomografisches Rekonstruieren
der unterschiedlichen Bilder, um ein dreidimensionales Bild der Probe bereitzustellen.
Vorzugsweise werden das Auswählen und das Rekonstruieren ohne Bewegen der Probe,
einer Kondensorlinse oder einer Objektivlinse ausgeführt.
Die Verfahren können umfassen: Variieren einer Feldirisblende
in einem Mikroskop, wobei das Mikroskop einen räumlichen Lichtmodulator umfasst,
der ein Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst und in einem
Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet
ist, wobei der räumliche Lichtmodulator mit einem Modulatorkontroller funktional
verbunden ist, der Computer-implementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des räumlichen Lichtmodulators steuert, wobei die Verfahren umfassen: Auswählen
einer gewünschten Feldirisblendeneinstellung, indem die einzelnen Lichtdurchlasspixel
des Beleuchtungsarrays auf einen Ein/Aus-Zustand entsprechend der gewünschten
Feldirisblendeneinstellung gesetzt werden, und dann Ändern der einzelnen Lichtdurchlasspixel
des Beleuchtungsarrays zu einem unterschiedlichen Ein/Aus-Zustand, entsprechend
einer unterschiedlichen gewünschten Feldirisblendeneinstellung, wodurch die
Feldirisblende variiert wird.
Die Verfahren können eine gleichförmige Beleuchtungslichtintensität
zu einer Probe in einem Mikroskop liefern, wobei das Mikroskop umfasst: einen räumlichen
Lichtmodulator, der ein Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst
und in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene einer Probe
angeordnet ist, und einen Lichtdetektor, der ein Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln
umfasst und austrittsseitig von dem eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator
an einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, und der Licht direkt von
dem eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator empfängt, wobei der räumliche
Lichtmodulator und der Lichtdetektor mit mindestens einem Kontroller funktional
verbunden sind, der Computer-implementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators steuert und die die Lichtintensitätsdetektionsdaten
zusammenstellt, die vom Lichtdetektor bereitgestellt werden, wobei die Verfahren
umfassen: Variieren des Ein/Aus-Zustands von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des
räumlichen Lichtmodulators, um ungleichförmige Lichtintensitäten
zu kompensieren, die durch den Lichtdetektor detektiert werden, wodurch eine gleichförmige
Beleuchtungslichtintensität geliefert wird, die zur Probe durchgelassen wird.
Die Verfahren können zum Variieren der Intensität von Licht,
das von einer Probe ausgeht, zu einem Lichtdetektor in einem Mikroskop
verwendet werden, wobei das Mikroskop umfasst: einen räumlichen Lichtmodulator,
der ein Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst und in einem
Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist,
und einen Lichtdetektor, der ein Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln
umfasst und austrittsseitig von der Probe in einem Detektionsstrahlengang an einer
konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, wobei der räumliche Lichtmodulator
und der Lichtdetektor mit mindestens einem Kontroller funktional verbunden sind,
der Computer-implementierte Programmierung enthält, die Durchlasseigenschaften
des räumlichen Lichtmodulators steuert und die die Lichtintensitätsdetektionsdaten
zusammenstellt, die vom Lichtdetektor bereitgestellt werden, wobei die Verfahren
umfassen: Variieren eines Ein/Aus-Zustands von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des
räumlichen Lichtmodulators, um die auf ausgewählte Flecken der Probe auftreffende
Lichtintensität zu variieren, und dadurch Variieren der Intensität von
Licht, das von den ausgewählten Flecken der Probe ausgeht, und Auftreffen auf
mindestens ein Pixel des Lichtdetektors. Die Verfahren können weiter umfassen:
selektives Variieren des Ein/Aus-Zustands von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des
räumlichen Lichtmodulators, so dass, wenn die Lichtintensität, die auf
ein Pixel des Lichtdetektors auftrifft, größer als oder gleich einem Schwellenwert
ist, der anzeigt, dass die Lichtintensität benachbarte Pixel signifikant nachteilig
beeinflusst, dann Ausschalten von mindestens einem entsprechenden Pixel im räumlichen
Lichtmodulator für eine Zeit, die ausreicht, um die Lichtintensität, die
auf das Pixel des Lichtdetektors auftrifft, unter den Schwellenwert zu verringern.
Die Verfahren können auch umfassen: selektives Variieren des Ein/Aus-Zustands
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln des räumlichen Lichtmodulators, so dass
die Lichtintensität, die auf das Detektionsarray von Pixeln des Lichtdetektors
auftrifft, über das Detektionsarray gleichförmig ist, und Bestimmen der
Lichtintensitätseigenschaften der Probe, indem eine Zeit bestimmt wird, die
einzelne Pixel im Beleuchtungsarray des eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators
ein- oder ausgeschaltet sind.
Wenn das Mikroskop ein konfokales Mikroskop ist, umfassen die Verfahren
weiter: Liefern von mindestens einem Beleuchtungsfleck zur Probe, indem bewirkt
wird, dass mindestens ein einzelnes Lichtdurchlasspixel des räumlichen Lichtmodulators
eingeschaltet ist, während benachbarte Pixel ausgeschaltet sind, und dann das
Detektionsarray den Beleuchtungsfleck selektiv detektiert. Vorzugsweise bildet der
räumliche Lichtmodulator gleichzeitig eine Mehrzahl der Beleuchtungsflecken
und liefert sequenzielle komplementäre Muster der Flecken. Die Verfahren können
weiter umfassen: Detektieren von Licht, das auf ein mittiges Detektionspixel auftrifft,
das mit einem einzelnen Lichtdurchlasspixel des räumlichen Lichtmodulators
ausgerichtet ist, das eingeschaltet ist, und Detektieren von Licht, das auf mindestens
ein Detektionspixel benachbart zu dem mittigen Detektionspixel auftrifft, und Zusammenstellen
der Daten, die durch das mindestens eine benachbarte Detektionspixel bereitgestellt
werden, und ihr Kombinieren mit den Daten, die durch das mittige Detektionspixel
bereitgestellt werden. Die Verfahren können weiter umfassen: Zusammenstellen
der Daten, die durch die benachbarten Detektionspixel bereitgestellt werden, und
ihr Kombinieren mit den Daten, die durch das mittige Detektionspixel bereitgestellt
werden, so dass die Rückweisung der Nicht-im-Fokus-Information des Mikroskops
verbessert wird, im Vergleich mit dem Fokus ohne die Daten von den benachbarten
Detektionspixeln, oder die Verfahren können umfassen: Zusammenstellen der Daten,
die durch die benachbarten Detektionspixel bereitgestellt werden, und ihr Kombinieren
mit den Daten, die durch das mittige Detektionspixel bereitgestellt werden, und
daraus Bestimmen der Lichtabsorptionseigenschaften der Probe.
Die Verfahren können Echtzeit-Direktsicht-Konfokalmikroskopie
bereitstellen.
In anderen Aspekten liefert die vorliegende Erfindung Verfahren zur
konfokalen Mikroskopie, die eine Verwendung eines Mikroskops umfassen, das umfasst:
einen ersten räumlichen Lichtmodulator, der ein erstes Beleuchtungsarray von
einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst, wobei der erste räumliche Lichtmodulator
in einem Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene einer Aperturblende
einer Objektivlinse angeordnet ist, um einen ersten eintrittsseitigen räumlichen
Lichtmodulator bereitzustellen, einen zweiten räumlichen Lichtmodulator, der
ein zweites Beleuchtungsarray von einzelnen Lichtdurchlasspixeln umfasst und im
Beleuchtungsstrahlengang an einer konjugierten Bildebene einer Probe angeordnet
ist, um einen zweiten eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulator bereitzustellen,
und einen Lichtdetektor, der an einem austrittsseitigen Ende des Detektionsstrahlengangs
angeordnet ist, wobei der Lichtdetektor ein Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln
umfasst, wobei die räumlichen Lichtmodulatoren und der Lichtdetektor mit mindestens
einem Kontroller funktional verbunden sind, der Computer-implementierte Programmierung
enthält, die die Lichtdurchlass- oder Detektionseigenschaften der räumlichen
Lichtmodulatoren und des Lichtdetektors steuert, wobei die Verfahren umfassen: Auswählen
eines gewünschten Beleuchtungs- und Detektionswinkels, indem ein ausgewählter
Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel des ersten Beleuchtungsarrays entsprechend
dem gewünschten Beleuchtungs- und Detektionswinkel eingeschaltet wird, und
Auswählen eines gewünschten Beleuchtungsflecks, indem ein ausgewählter
Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel des zweiten Beleuchtungsarrays
entsprechend dem gewünschten Beleuchtungsfleck eingeschaltet wird, so dass
mindestens ein einzelnes Lichtdurchlasspixel des zweiten Beleuchtungsarrays eingeschaltet
ist, während benachbarte Pixel ausgeschaltet sind und die Detektionspixel des
Detektionsarrays positioniert sind, um den Beleuchtungsfleck selektiv zu detektieren.
Solche Verfahren können weiter eine 3-D-Abbildung mit oder ohne Bewegen der
Probe, einer Kondensorlinse oder einer Objektivlinse bereitstellen.
In weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung umfassen die Verfahren
eine zeitverzögerte Fluoreszenzdetektion, wobei die Verfahren umfassen: Beleuchten
der Probe für eine Zeit, die ausreicht, um eine Fluoreszenz in der Probe zu
induzieren, Aufhören mit Beleuchten der Probe, und dann Detektieren von Fluoreszenz,
die von der Probe ausgeht.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden bei Bezug
auf die folgende ausführliche Beschreibung und angefügten Zeichnungen
ersichtlich. Zusätzlich werden verschiedene Bezüge hierin dargelegt, die
bestimmte Vorrichtungen und Verfahren (z.B. räumliche Lichtmodulatoren usw.)
in größerer Einzelheit beschreiben; alle solche Bezüge sind in ihrer
Gesamtheit durch Bezug hierin aufgenommen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine schematische Ansicht und eine auseinandergezogene
schematische Ansicht eines herkömmlichen Durchlichtmikroskops dar, das Köhlerbeleuchtung
verwendet.
2A stellt eine schematische Ansicht einer digitalen
Mikrospiegelvorrichtung dar, wie sie in den Vorrichtungen und Verfahren der vorliegenden
Erfindung verwendet werden.
2A stellt eine detaillierte schematische Draufsicht
auf einen räumlichen Lichtmodulator dar, der eine digitale Mikrospiegelvorrichtung
ist.
2C stellt eine schematische Ansicht einer digitalen
Mikrospiegelvorrichtung dar, die Licht als verschiedene Funktionen der Zeit durchlässt.
3 stellt eine schematische Ansicht und eine auseinandergezogene
schematische Ansicht eines Mikroskops gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, das einen räumlichen Lichtmodulator umfasst,
um die Feldblende zu ersetzen.
Die 4A-4I stellen eine Abtastteilsequenz
eines Objekts dar, wobei ein räumlicher Lichtmodulator mit sequenziellen komplementären
Mustern einer Mehrzahl von Beleuchtungsflecken verwendet wird.
5 stellt eine schematische Ansicht und eine auseinandergezogene
schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Mikroskops gemäß
der vorliegenden Erfindung dar, bei dem ein räumlicher Lichtmodulator eintrittsseitig
von oder vor einem dichroitischen Spiegel positioniert ist.
6 stellt eine schematische Ansicht eines Bereichs eines
in Pixel aufgeteilten Lichtdetektors zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
dar, die ein Beispiel für den Bereich des Detektors darstellt, der durch einen
der Spiegel des räumlichen Lichtmodulators beleuchtet wird.
7A stellt eine schematische Ansicht eines räumlichen Lichtmodulators
dar, bei dem mehrere benachbarte Pixel "ein" geschaltet sind, um einen Beleuchtungsfleck
von einer gewünschten Größe zu definieren.
7B stellt eine schematische Ansicht eines räumlichen Lichtmodulators
dar, bei dem mehrere benachbarte Pixel schnell ein- und ausgeschaltet werden, so
dass, wenn man eine Zeitmittelung vornimmt, die Spiegel teilweise ein oder teilweise
aus sind, um einen Beleuchtungsfleck mit Gaussprofil zu definieren.
8 stellt eine schematische Ansicht eines Mikroskops
gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar,
das zwei räumliche Lichtmodulatoren verwendet.
9 stellt eine schematische Ansicht eines Mikroskops
gemäß noch einer weiteren Ausführungsform dar, das für eine
Köhlerbeleuchtung, bei der räumliche Lichtmodulatoren die Kondensorapertur-
und Objektivaperturblende in ihrer konjugierten Bildebene ersetzen, der Probe aufgestellt
ist.
10 ist eine schematische Ansicht und eine auseinandergezogene
schematische Ansicht eines Mikroskop gemäß noch einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, das vier digitale Mikrospiegelvorrichtungen aufweist, um die Lichtdurchlasscharakteristiken
der konjugierten Bildebene der Probe und der konjugierten Bildebene der Aperturblende
der Objektivlinse zu steuern.
11 veranschaulicht einer Art und Weise, in der ein Mikroskop der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um sphärische Aberrationseffekte
einer Linse durch Bilder der Probe an einer Mehrzahl von unterschiedlichen Tiefen
zu korrigieren, wobei die Probe ausgewählte Beleuchtungs- und Detektionsausrichtungen
von ausgewählten z-Positionen verwendet und die Bilder in ein zusammengesetztes
Bild kombiniert werden.
12 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm, das eine Art und
Weise darstellt, in der der Ein/Aus-Zustand eines Paars von räumlichen Lichtmodulatoren
koordiniert werden kann, um eine zeitverzögerte Fluoreszenzmikroskopie durchzuführen.
13 gibt eine schematische Ansicht und eine auseinandergezogene
schematische Ansicht eines Mikroskops gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wieder, bei der das Mikroskop dem Mikroskop in
10 ähnelt, außer dass das Mikroskop zur Reflexionsmikroskopie
verwendet wird, und zwei räumliche Lichtmodulatoren eine räumliche Lichtmodulation
in jedem von dem Beleuchtungsstrahlengang und dem Detektionsstrahlengang bereitstellen,
wodurch funktional vier räumliche Lichtmodulatoren im Strahlengang bereitgestellt
werden.
14 gibt eine schematische Ansicht eines Mikroskops
gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wieder,
bei der das Mikroskop den Mikroskopen ähnelt, die in den 10
und 13 dargelegt sind, wobei das Mikroskop zur Reflexionsmikroskopie
verwendet wird und eine Gesamtanzahl von vier räumlichen Lichtmodulatoren im
Beleuchtungsstrahlengang und im Detektionsstrahlengang eingefügt sind.
Die Figuren und die Beschreibung stellen verschiedene Möglichkeiten
dar, einen räumlichen Lichtmodulator zu verwenden. Sie stellen die Weise nicht
explizite dar, auf die die Probe beleuchtet wird.
Die vorliegenden Mikroskope weisen signifikante Vorteile beim Steuern
des Lichtes auf, das die Probe trifft. Die Mikroskope haben auch Vorteile in Bezug
zum Steuern des Lichtes, das einen Lichtdetektor trifft, wie z.B. das Auge des Benutzers
oder eine Videokamera. Die verbesserte Steuerung umfasst eine verbesserte selektive
Steuerung des Beleuchtungswinkels, der Menge an Licht und der Stelle des Lichts,
das die Probe und/oder den Detektor erreicht, so dass das die Probe erreichende
Licht eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften umfasst. Die vorliegende Erfindung
liefert diese Vorteile, indem sie einen oder mehrere räumliche Lichtmodulatoren
im Beleuchtungs- und/oder Detektionsstrahlengang des Mikroskops an einer oder beiden
von der konjugierten Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse und der konjugierten
Bildebene der Probe anordnet.
Definitionen
Ein "räumlicher Lichtmodulator" (SLM) ist eine Vorrichtung, die
imstande ist, Licht selektiv zu modulieren. In der vorliegenden Erfindung sind räumliche
Lichtmodulatoren im Strahlengang eines Mikroskops angeordnet. Typischerweise umfasst
der räumliche Lichtmodulator ein Array von einzelnen Lichtdurchlasspixeln,
die eine Mehrzahl von Flecken sind, die Durchlasseigenschaften haben, so dass sie
entweder das Licht entlang dem Strahlengang durchlassen oder weiterleiten, oder
das Licht blockieren und verhindern, dass es seinen Weg entlang dem Strahlengang
fortsetzt (z.B. indem das Licht absorbiert wird oder indem es aus dem Strahlengang
reflektiert wird). Solche in Pixel aufgeteilte Arrays sind im Stand der Technik
wohlbekannt, die auch als Mehrmuster-Aperturarray bezeichnet worden sind und durch
ein Array von ferroelektrischen Flüssigkristall-Vorrichtungen, durch eine digitale
Mikrospiegelvorrichtung oder durch elektrostatische Mikroverschlussblenden gebildet
werden können. Siehe das US-Patent No. 5,587,832; R.Vuelleumier, Novel Electromechanical
Microshutter Display Device, Proc. Eurodisplay '84, Display Research Conference
September 1984. Digitale Mikrospiegelvorrichtungen können von Texas Instruments,
Inc., Dallas, Texas, USA, bezogen werden.
Der "Beleuchtungsstrahlengang" ist der Strahlengang von einer Lichtquelle
bis zu einer Probe, während ein "Detektionsstrahlengang" der Strahlengang für
von einer Probe ausgehendem Licht zu einem Detektor ist. Von einer Probe ausgehendes
Licht umfasst Licht, das von einer Probe reflektiert wird, durch eine Probe durchgelassen
wird oder in der Probe erzeugt wird, z.B. Fluoreszenzlicht, das in einer Probe entsprechend
einer Anregung mit einer geeigneten Lichtwellenlänge (typischerweise UV- oder
Blau-Licht) erzeugt wird.
Eine "konjugierte Bildebene einer Aperfurblende der Objektivlinse"
ist eine Ebene in entweder dem Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang, wo ein
Bild der Aperturblende der Objektivlinse erzeugt wird. Typischerweise enthält
diese Bildebene auch eine Neuerzeugung des Bildes der Lichtquelle, die in der vorliegenden
Erfindung jegliche Lichtquelle sein kann, wie z.B. eine Weißlichtquelle, eine
Lichtbogenquelle oder ein Laser. Die konjugierten Bildebenen der Aperturblende der
Objektivlinse definieren Stellen, die den Winkel von Beleuchtungslicht steuern,
das schließlich auf eine Probe auftrifft, sowie den Winkel von Detektionslicht,
das von einer Probe ausgeht (der "Beleuchtungswinkel" und "Detektionswinkel" beziehen
sich auf den Winkel des Lichts, das entweder auf eine Probe auftrifft oder von einer
solchen ausgeht).
Eine "konjugierte Bildebene der Probe" ist eine Ebene in entweder
dem Beleuchtungsstrahlengang oder dem Detektionsstrahlengang, in der ein Bild der
Probe wiedererzeugt wird. Der Lichtdetektor(en) ist typischerweise an einem solchen
Ort im Detektionsstrahlengang angeordnet. Die konjugierten Bildebenen
der Probe definieren Stellen, die die Größe und Stelle von Flecken auf
der Probe steuern können, die beleuchtet und/oder detektier werden (abhängig
davon, ob sich die konjugierte Ebene im Beleuchtungsstrahlengang oder im Detektionsstrahlengang
befindet). Die Bildebene der Probe ist die Ebene, in der die Probe angeordnet ist,
obwohl die Bildebene der Probe größer oder kleiner sein kann als die Größe
der tatsächlichen Probe, wenn entweder eine Mehrzahl von Strahlengängen
bereitgestellt werden oder wenn der Beleuchtungsbereich größer oder kleiner
als die Größe der Probe ist.
Ein "Kontroller" ist eine Vorrichtung, die imstande ist, einen räumlichen
Lichtmodulator, einen Detektor oder andere Elemente der Vorrichtungen und Verfahren
der vorliegenden Erfindung zu steuern. Z.B. kann der Kontroller Durchlasseigenschaften
der Pixel in einem räumlichen Lichtmodulator steuern, den Ein/Aus-Zustand von
Pixeln eines in Pixel aufgeteilten Lichtdetektors (wie z.B. ein Ladungsspeicherbauelement
(CCD-Element) oder Ladungsinjektionsbauelement (CID-Element)) steuern und/oder vom
Detektor erhaltene Daten zusammenstellen, einschließlich einer Verwendung solcher
Daten zur Herstellung oder Rekonstruktion von Bildern oder als Rückkopplung
zur Steuerung eines eintrittsseitigen räumlichen Lichtmodulators. Typischerweise
ist ein Kontroller ein Computer oder eine andere Vorrichtung, die eine zentrale
Einheit (CPU) umfasst. Kontroller sind im Stand der Technik wohlbekannt und eine
Auswahl eines wünschenswerten Kontrollers für einen besonderen Aspekt
der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich des Standes der Technik hinsichtlich
der vorliegenden Offenbarung.
"Eintrittsseitig" und "austrittsseitig" werden in ihrem herkömmlichen
Sinn verwendet, wobei eintrittsseitig anzeigt, dass sich eine gegebene Vorrichtung
näher an einer Lichtquelle befindet, während austrittsseitig anzeigt,
dass sich ein gegebenes Objekt weiter von einer Lichtquelle weg befindet.
Die in dieser Anmeldung dargelegten Begriffe sollen in den Ansprüchen
nicht so interpretiert werden, dass sie eine "Mittel-plus-Funktion"-Beziehung anzeigen,
außer das Wort "Mittel" wird speziell in den Ansprüchen angeführt.
Dies trifft auch auf den Begriff "Schritt" für Prozess- oder Verfahrensansprüche
zu.
Andere Begriffe und Ausdrücke in dieser Anmeldung sind entsprechend
den obigen Definitionen und in anderen Teilen dieser Anmeldung definiert.
Die Figuren
Indem man sich den Figuren zuwendet, gibt 1
ein bekanntes Mikroskop vom Köhlerbeleuchtungstyp wieder, und sie wurde oben
erörtert.
2A gibt eine schematische Ansicht eines räumlichen
Lichtmodulators, in diesem Fall einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung, bei Gebrauch
in einem Mikroskop wieder, gemäß der vorliegenden Erfindung. In
2A richtet eine Lichtquelle 4 Licht auf Mikrospiegel
42 einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung, welche Mikrospiegel in sowohl
Seitenansicht als auch Draufsicht dargestellt sind. Wenn sich ein Mikrospiegel in
der "Ein"-Stellung befindet, wird das Licht von der Lichtquelle 4 entlang
einem Beleuchtungsstrahlengang 3 durch eine Projektivlinse 30
hindurch und in eine Bildebene 40 reflektiert. Wenn sich ein spezieller
Mikrospiegel, der ein einzelnes Lichtdurchlasspixel ist, in der "Aus"-Stellung befindet,
dann wird das Licht von der Lichtquelle 4 zu einem Strahlstopp
37 reflektiert. Folglich ist der Ein/Aus-Zustand der einzelnen Lichtdurchlasspixel
dadurch festgesetzt, ob das Pixel Licht entlang dem gewünschten Strahlengang
durchlässt oder nicht. Der Ein/Aus-Zustand der Pixel kann sich sehr schnell
ändern oder alternieren. Beispielsweise durchlaufen in einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung
die Spiegel einen Zyklus von ein nach aus nach ein (oder umgekehrt) in weniger Zeit
als durch das menschliche Auge beobachtet werden kann, z.B. in weniger als etwa
0,3 Sekunden, und sogar so schnell wie etwa 20 Mikrosekunden.
2B gibt eine detaillierte schematische Draufsicht auf
eine digitale Mikrospiegelvorrichtung 34 wieder, bei der einzelne Mikrospiegel
46 oben auf Spiegelständern 48 angeordnet sind. In der wiedergegebenen
Ausführungsform gibt es einen Spalt von etwa 1 &mgr;m zwischen den Spiegeln,
und die Spiegel sind etwa 16 &mgr;m mal 16 &mgr;m. Andere Formen und Größen
von Spiegeln sind auch möglich.
2C gibt eine schematische Darstellung eines räumlichen
Lichtmodulators der vorliegenden Erfindung im Gebrauch wieder. Insbesondere reflektiert
die digitale Mikrospiegelvorrichtung 34 eine Mehrzahl von Lichtstrahlen
entlang dem Beleuchtungspfad 3 zur Projektivlinse 30 und in die
Bildebene 40. In einer mittigen Spalte der digitalen Mikrospiegelvorrichtung
34 weist jeder der digitalen Mikrospiegel einen verschiedenen Prozentsatz
der Zeit auf, in der der Spiegel ein- statt ausgeschaltet ist. Z.B. ist der oberste
Mikrospiegel in der Figur 100% der Zeit eingeschaltet, während der unterste
Mikrospiegel in der Spalte in der Figur 100% der Zeit ausgeschaltet ist, während
die vier Spiegel zwischen den beiden einen Ein/Aus-Zustand aufweisen, der zwischen
100% ein- und 100% ausgeschaltet ist. Folglich weist jeder von den Lichtstrahlen
aus der mittigen Spalte eine unterschiedliche Videofeldzeit 50 auf, welche
Videofeldzeit der Ein- und Auszeitdauer für den speziellen Mikrospiegel entspricht.
3 gibt eine schematische Zeichnung eines Mikroskops
gemäß der vorliegenden Erfindung wieder, das einen räumlichen Lichtmodulator
in einer eintrittsseitigen konjugierten Bildebene der Probe aufweist.
Ein solches Mikroskop ist eine von den Ausführungsformen hierin, die eine dynamische
Beleuchtungssteuerung erlaubt. Die Lichtquelle 4 emittiert erste Lichtstrahlen
6, zweite Lichtstrahlen 8 und dritte Lichtstrahlen 10
entlang dem Beleuchtungsstrahlengang 3 in Richtung auf die Probe
20. Die Lichtstrahlen treten zuerst durch ein Filter 36 hindurch,
reflektieren dann weg von einem dichroitischen Spiegel 38 (der dichroitische
Spiegel 38 und das Filter 36 werden in einem Blocksatz aus dichroitische
Spiegel und Filter 28 gehalten) und durch eine Projektivlinse
30 hindurch, gefolgt von einer Reflexion weg von einem einfachen Spiegel
32 auf einen räumlichen Lichtmodulator, der in der Figur eine digitale
Mikrospiegelvorrichtung 34 ist. Wie in der Figur wiedergegeben, sind sämtliche
einzelnen Lichtdurchlasspixel (d.h. Mikrospiegel in der Figur) eingeschaltet, und
folglich werden sämtliche Lichtstrahlen 6, 8, 10
zum Objektivlinsensatz 22 und zur Probe 20 durchgelassen. Das
Licht wird dann weg von der Probe reflektiert, zurück durch die Objektivlinse
22 hindurch, weg von der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 34
und dem einfachen Spiegel 32, und es wird dann durch die Projektivlinse
30 durchgelassen. Das Licht setzt dann seinen Weg vorbei am dichroitischen
Spiegel 38, Filter 36 und schließlich zum Lichtdetektor
26 fort. Das Licht wird von der Probe zum Lichtdetektor 26 entlang
dem Detektionsstrahlengang 5 durchgelassen. In 3
ist die digitale Mikrospiegelvorrichtung 34 in einer konjugierten Bildebene
der Probe in jedem von dem Beleuchtungsstrahlengang 3 und dem Detektionsstrahlengang
5 angeordnet. Folglich dient eine einzige digitale Mikrospiegelvorrichtung
sowohl als erster räumlicher Lichtmodulator als auch zweiter räumlicher
Lichtmodulator, von denen sich einer eintrittsseitig von der Probe befindet und
von denen sich einer austrittsseitig von der Probe befindet. Der Lichtdetektor
26 kann jeglicher Lichtdetektor sein, wie er im Stand der Technik wohlbekannt
ist, z.B. ein Ladungsspeicherbauelement (CCD-Element), ein Ladungsinjektionsbauelement
(CID-Element), eine Videokamera, ein Fotovervielfacher oder ein menschliches Auge
(in welchen Fall der Lichtdetektor vorzugsweise ein Okular für das Auge umfasst).
Wenn gewünscht, ist es möglich, eine Mehrzahl von verschiedenen Lichtdetektoren
entweder in einer Reihen- oder in einer Nachbarbeziehung oder in irgendeiner anderen
gewünschten Beziehung zu verwenden. In bevorzugten Ausführungsformen ist
der Lichtdetektor ein CCD-Element oder ein CID-Element oder ein anderer Lichtdetektor,
der ein Array von einzelnen Detektionspixeln umfasst, das eine Mehrzahl von Flecken
anzeigt, typischerweise in derselben Größenordnung auf derselben Seite
wie die Pixel im räumlichen Lichtmodulator.
In bevorzugten Ausführungsformen entspricht das Detektionsarray
von einzelnen Detektionspixeln im Lichtdetektor 26 dem Beleuchtungsarray
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln im räumlichen Lichtmodulator und ist damit
ausgerichtet. Demgemäß weist das Detektionsarray eine äquivalente
Anzahl von Pixeln auf, von denen jedes mit den Pixeln des räumlichen Lichtmodulatorarrays
ausgerichtet ist, oder es sind Gruppen von solchen Pixeln miteinander ausgerichtet.
In gewissen Ausführungsformen kann diese Ausrichtung bewerkstelligt werden,
indem man eine einzige digitale Mikrospiegelvorrichtung an einer gewünschten
konjugierten Bildebene in sowohl dem Beleuchtungsstrahlengang als auch dem Detektionsstrahlengang
verwendet, z.B. wie in 3 wiedergegeben.
Weil die digitale Mikrospiegelvorrichtung 34 an einer konjugierten
Bildebene der Probe angeordnet ist, kann sie sowohl die Menge an Licht als auch
die Stelle des Lichts steuern, das die Probe erreicht. Wenn gewünscht, ist
es folglich möglich, ein einzelnes Pixel der digitalen Mikrospiegelvorrichtung
zu beleuchten, das wiederum ein einzelnes entsprechendes Pixel der Probe beleuchtet,
und dann gleichzeitig dieses selbe Pixel der Probe zu detektieren und die Information
von diesem Pixel zum Lichtdetektor 26 weiterzuleiten.
3 gibt ein Reflexionsmikroskop wieder, was bedeutet,
dass das Licht weg von der Probe reflektiert, aber sie könnte auch ein Durchlichtmikroskop
darstellen, was bedeuten würde, dass das Licht durch die Probe hindurchtreten
würde, wenn ein separater zweiter räumlicher Lichtmodulator im Detektionsstrahlengang
verwendet würde (oder wenn geeignete Spiegel oder andere Vorrichtungen dazu
dienen würden, den Detektionsstrahlengang zurück zu einer einzigen digitalen
Mikrospiegelvorrichtung zu richten). 5 gibt eine schematische
Ansicht eines Mikroskops wieder, das dem Mikroskop ähnelt, das in
3 dargelegt ist, außer dass der räumliche
Lichtmodulator nur im Beleuchtungsstrahlengang und nicht im Detektionsstrahlengang
angeordnet ist.
Vorzugsweise wird das (die) Muster im räumlichen Lichtmodulator(en)
über ein funktionales Verbinden des räumlichen Lichtmodulators mit einem
Kontroller, vorzugsweise einem PC-Computer, bewerkstelligt, der jedes von den einzelnen
Lichtdurchlasspixeln im Array einzeln steuert. Weiter vorzugsweise, steuert der
Kontroller einen einzelnen Spiegel als einzelnes Pixel, aber wenn gewünscht,
kann der Kontroller eine Mehrzahl von Spiegeln als einzelnes Pixel steuern, z.B.
könnte jedes einzelne Lichtdurchlasspixel eine Gruppierung von unmittelbar
benachbarten Spiegeln sein, wie z.B. in den 7A und 7B
dargelegt. Insbesondere gibt 7 schematisch zwei unterschiedliche
Ausführungsformen zur Beleuchtung wieder, die die Verwendung von benachbarten
Spiegeln als einzelnes Pixel umfassen. In 7a wird eine Mehrzahl
von einzelnen Mikrospiegeln des räumlichen Lichtmodulators als Gruppe eingeschaltet.
7B gibt einen ähnlichen Beleuchtungsfleck wieder, außer
dass unterschiedliche Mikrospiegel (oder Mikroverschlussblenden oder andere ausgewählte
Pixelkomponenten) unterschiedliche Ein/Aus-Zustände aufweisen und so ein Gauss-Beleuchtungsprofil
bereitstellen; andere Beleuchtungsprofile sind auch möglich. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist für diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung,
die sich auf das aktive Einschalten und Ausschalten von einzelnen Lichtpixeln des
räumlichen Lichtmodulators beziehen, die Zykluszeit des gegebenen Ereignisses
kleiner als die Zeit, die für das menschliche Auge benötigt wird, um die
Änderung zu detektieren, typischerweise kleiner als etwa 0,3 Sekunden.
Mikroskope, wie z.B. diejenigen, die in den 3
und 5 wiedergegeben sind, die einen räumlichen
Lichtmodulator in einer konjugierten Bildebene der Probe umfassen, die sich eintrittsseitig
von der Probe befindet, können auch eine variable Feldirisblende bereitstellen.
Wie hierin verwendet, bezeichnet eine variable Feldirisblende eine Irisblende, bei
der der Beleuchtungsfleck größer ist als eine Größe, die zum
Gebrauch für konfokale Mikroskopie geeignet ist. Die Feldirisblende kann variiert
werden, indem man ein Muster in dem Array des räumlichen Lichtmodulators ändert,
das verschiedenen Feldirisblendeneinstellungen entspricht. Wo das Mikroskop einen
Lichtdetektor umfasst, der ein Detektionsarray von einzelnen Detektionspixeln umfasst,
kann zusätzlich und insbesondere das Mikroskop den Ein/Aus-Zustand von einzelnen
Lichtdurchlasspixeln des räumlichen Lichtmodulators selektiv und steuerbar
variieren, um die Lichtintensität zu variieren, die auf ausgewählte Flecke
der Probe auftrifft. Folglich kann nicht nur ein 100%iger ein- oder 100%iger ausgeschalteter
Zustand für eine variable Feldirisblende erreicht werden, die Lichtintensität
von einzelnen Pixeln kann reduziert oder erhöht werden, wie gewünscht,
ähnlich zu der Pixelveränderlichkeit, die in den 2C
und 7B wiedergegeben ist.
In einer Ausführungsform zum Variieren der Intensität des
auf die ausgewählten Flecken auftreffenden Lichts, die eine gleichförmige
Lichtintensität über eine Probe liefert, wird das Licht von der Lichtquelle
4, das "Aus"-Pixel im Array des räumlichen Lichtmodulators, wie z.B.
der digitalen Mikrospiegelvorrichtung 34, trifft, zu einem Lichtdetektor
durchgelassen, vorzugsweise einem in Pixel aufgeteilten Lichtdetektor, der z.B.
am Ort eines Strahlstopps 37 in 3 angeordnet
ist. Es wird bevorzugt, dass der Lichtdetektor Licht direkt vom räumlichen
Lichtmodulator empfängt, was bedeutet, dass das Licht nicht durch die Probe
hindurchgeht oder von ihr weg reflektiert wird. Obwohl es weniger bevorzugt wird,
kann das Licht durch zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und dem Lichtdetektor
liegende Linsen, Filter usw. hindurchgehen. Weil der Strahlstopp 37 vorzugsweise
an der Bildebene der Probe angeordnet ist und Licht direkt vom räumlichen Lichtmodulator
empfängt, kann der räumliche Lichtmodulator alle Pixel "aus"-geschaltet
aufweisen, und folglich wird sämtliches Licht von der Lichtquelle zum Detektor
durchgelassen, der am Strahlstopp 37 angeordnet ist. Der Detektor kann
dann unterschiedliche Intensitätsgrade im von der Lichtquelle 4 ausgehenden
Licht differenzieren und dann die variierenden Intensitäten über ein schnelles
Alternieren zwischen dem Ein- und Aus-Zustand kompensieren, um ein gleichförmiges
Licht zur Probe 20 zu liefern (der am Strahlstopp 37 angeordnete
Lichtdetektor könnte auch in einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet
sein, wenn gewünscht). Eine solche schnelle Wechselfolge kann durch einen Kontroller
bewerkstelligt werden, der selektiv den Ein/Aus-Zustand von einzelnen Lichtdurchlasspixeln
des räumlichen Lichtmodulators variiert, um ungleichförmige Lichtintensitäten
zu kompensieren, die entsprechend Pixeln vom Lichtdetektor detektiert werden.
Ähnlich kann das Mikroskop die Intensität des von der Probe
zum Lichtdetektor ausgehenden Lichts variieren, indem die Intensität des zur
Probe durchgelassenen Lichts variiert wird, weil es typischerweise eine direkte
Beziehung (weiter typischerweise eine 1:1-Beziehung) zwischen der Intensität
des von einer Probe emittierten Lichts und der Intensität des auf die Probe
auftreffenden Lichts gibt. Ein solches Mikroskop kann besonders nützlich sein,
wo die auf ein spezielles Pixel des Lichtdetektors auftreffende Lichtintensität
größer als oder gleich einem Schwellenwert ist, der anzeigt, dass die
Lichtintensität benachbarte Pixel signifikant nachteilig beeinflusst (z.B.
durch Überstrahlen des Lichtes oder ein Unvermögen des Lichtdetektors,
wie z.B. ein menschliches Auge, um sich im Hinblick auf eine solche übermäßige
Intensität anzupassen). Sobald der Detektor und typischerweise der mit dem
Detektor funktional verbundene Kontroller feststellt, dass das auf ein spezielles
Pixel des Lichtdetektors auftreffende Licht den Schwellenwert überschritten
hat, dann variieren der Detektor und Kontroller den Ein/Aus-Zustand der entsprechenden
Pixel im Beleuchtungsarray, um die Intensität des Lichts zu reduzieren, das
zum Pixel der Probe durchgelassen wird, das dem überhellen Pixel des Detektionsarrays
entspricht, bis die Intensität des das Pixel des Detektionsarrays erreichende
Licht unter den Schwellenwert reduziert ist.
In einer verwandten Ausführungsform können der Lichtdetektor
und Kontroller die Lichtintensitätscharakteristiken einer Probe feststellen,
indem sie die Intensität des Lichts detektieren, das auf die Detektoren auftrifft,
dann den Ein/Aus-Zustand der entsprechenden Pixel im Beleuchtungsarray modifizieren,
bis eine gleichförmige Lichtintensität zu den Pixeln des Detektorarrays
durchgelassen wird, und dann die Lichtintensitätscharakteristiken
der Probe feststellen, indem die Zeitdauer festgestellt wird, die einzelne Pixel
im Beleuchtungslichtarray im räumlichen Lichtmodulator ein- oder ausgeschaltet
sind.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Mikroskop weiter als
konfokales Mikroskop arbeiten, wie oben erörtert, und das Beleuchtungsarray
von einzelnen Lichtdurchlasspixeln im räumlichen Lichtmodulator, der eintrittsseitig
von der Probe in einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist, stellt mindestens
einen Beleuchtungsfleck bereit, der für konfokale Mikroskopie dimensioniert
ist, indem bewirkt wird, dass mindestens ein einzelnes Lichtdurchlasspixel des räumlichen
Lichtmodulators eingeschaltet ist, während benachbarte Pixel ausgeschaltet
sind. Das Detektionsarray detektiert dann selektiv den Beleuchtungsfleck. In einer
bevorzugten Ausführungsform bildet der räumliche Lichtmodulator gleichzeitig
eine Mehrzahl von Beleuchtungsflecken und liefert dann sequenzielle, komplementäre
Muster der Flecken, wie in 4 wiedergegeben. Insbesondere
sind, wie in der Figur dargestellt, Ein-Spiegel 52 als schwarze Quadrate
in einem Array wiedergegeben, während Aus-Spiegel 54 als weiße
Quadrate im Array wiedergegeben sind. Indem man sequenziell eine Reihe von komplementären
Mustern bereitstellt, wobei im Wesentlichen dasselbe Muster wiederholt wird, aber
während des Verlaufs der Zeit um ein Pixel nach rechts bewegt, ist es möglich,
ein konfokales Bild der gesamten Probe in etwa 18 Ein/Aus-Zyklen bereitzustellen.
Eine solche konfokale Mikroskopie kann detektiert werden, indem man einen in Pixel
aufgeteilten Detektor, wie z.B. ein CCD-Element oder CID-Element, verwendet, oder
es kann dann, wenn die Zykluszeit schnell genug ist, dass ein einzelnes beleuchtetes
Pixel dann schneller als die Bilderfassungszeitdauer auf einer Videokamera oder
für das menschliche Auge (oder Bilderfassungszeitdauer eines anderen Detektors)
wiederbeleuchtet wird, konfokale Echtzeit-Mikroskopie beobachtet werden.
6 gibt schematisch eine Ausführungsform wieder,
bei der zwar das mittige Detektionspixel 56 stärker beleuchtet wird
als benachbarte oder umgebende Pixel 58, aber aufgrund der Eigenschaften
der Probe die umgebenden Pixel tatsächlich beleuchtet werden, obwohl nur das
mittige Pixel 56 direkt mit dem Ein-Beleuchtungspixel im Beleuchtungsarray
des räumlichen Lichtmodulators ausgerichtet war. Folglich umfasst in einer
Ausführungsform, die besonders für konfokale Mikroskopie nützlich
ist, aber auch bei anderen Ausführungsformen verwendet werden kann, das Mikroskop
einen Kontroller, der eine Computer-implementierte Programmierung enthält,
die bewirkt, dass der Lichtdetektor Licht detektiert, das auf ein mittiges Detektionspixel
auftrifft, das mit einem einzelnen Lichtdurchlasspixel des räumlichen Lichtmodulators
im Beleuchtungsstrahlengang, das eingeschaltet ist, ausgerichtet ist, und dass er
auch Licht detektiert, das auf mindestens ein zu dem mittigen Detektionspixel benachbartes
Pixel und vorzugsweise alle benachbarten Pixel auftrifft, wobei der Kontroller auch
Computer-implementierte Programmierung enthält, die die von dem (den) benachbarten
Detektionspixel(n) gelieferten Daten zusammenstellt und sie mit den Daten kombiniert,
die vom mittigen Detektionspixel geliefert werden, um die Information zu verbessern,
die dem Mikroskop zur Verfügung gestellt wird und von ihm bereitgestellt wird.
Z.B. kann ein solches Kombinieren der Daten die Rückweisung der Nicht-im-Fokus-Information
des Mikroskops verbessern, wenn eine solche Rückweisung mit dem Fokus verglichen
wird, der ohne die Daten von dem (den) benachbarten Detektor(en) erreicht wird.
Alternativ kann die Information von den benachbarten Pixeln Daten über die
Lichtstreuung und/oder -absorption oder andere Eigenschaften der Probe liefern.
Alternativ kann, wenn gewünscht, der Detektor so eingestellt werden, dass der
Detektor und/oder Kontroller keine Information von dem mittigen Detektorpixel detektiert,
das direkt dem Ein-Beleuchtungspixel entspricht, sondern vielmehr nur vom (von)
benachbarten Pixel(n) Information sammelt.
In noch einer anderen Ausführungsform kann ein räumlicher
Lichtmodulator in einer konjugierten Bildebene der Probe angeordnet sein, die sich
eintrittsseitig von der Probe befindet, und der Ein/Aus-Zustand der einzelnen Lichtdurchlasspixel
des Beleuchtungsarrays kann eingestellt sein, um ein ausgewähltes Bild in die
Bildebene (und deshalb die konjugierten Bildebenen der Probe) des Mikroskops zu
projizieren. Der räumliche Lichtmodulator ist funktional mit mindestens einem
Kontroller verbunden, der den Ein/Aus-Zustand der einzelnen Lichtdurchlasspixel
einstellt und/oder variiert, so dass er einem Bild entspricht, das separat zum Kontroller
übertragen wird oder das im Speicher des Kontrollers voreingestellt und enthalten
ist.
Das ausgewählte Bild kann direkt auf die Probe projiziert werden,
oder das ausgewählte Bild kann benachbart zur Probe projiziert werden. Z.B.
kann, wo das Mikroskop verwendet wird, um festzustellen, ob eine gegebene Probe
mit einem gewünschten vorbestimmten Zustand übereinstimmt, dann ein Bild,
das einen solchen vorbestimmten Zustand darstellt, entweder auf die Probe oder benachbart
zur Probe projiziert werden; ein direktes Projizieren des Bildes auf die Probe kann
einen Schabloneneffekt liefern, der es für sehr genau vorbestimmte Formen verhältnismäßig
einfach machen kann, um festzustellen, ob die Form in der Probe mit der vorbestimmten
Form übereinstimmt oder nicht. Mikroskope, die ein solches ausgewähltes
Bild projizieren, können entweder einen einzigen räumlichen Lichtmodulator
umfassen, um das ausgewählte Bild zu projizieren, während die Probe ohne
Gebrauch eines räumlichen Lichtmodulators bestrahlt wird,
oder zwei räumliche Lichtmodulatoren, von denen einer für das ausgewählte
Bild ist und einer für den Durchlass von Licht direkt zur Probe, oder einen
einzigen räumlichen Lichtmodulator, wobei unterschiedliche Teile des räumlichen
Lichtmodulators den hierin beschriebenen unterschiedlichen Funktionen dediziert
sind (z.B. ein Teil zur Probenbeleuchtung und ein Teil für einen ausgewählten
Bildprojektor).
8 gibt ein Beispiel für ein Mikroskop wieder,
das für konfokale Mikroskopie geeignet ist. Das Mikroskop ähnelt den in
den 3 und 5 wiedergegeben
Mikroskopen (welche Mikroskope auch für konfokale Mikroskopie verwendet werden
könnten), außer dass das Mikroskop in 8 eine
erste digitale Mikrospiegelvorrichtung in einer konjugierten Bildebene der Probe
umfasst, die sich eintrittsseitig von der Probe befindet, sowie eine zweite separate
digitale Mikrospiegelvorrichtung 34b, die in einer konjugierten Bildebene
der Probe angeordnet ist, die austrittsseitig von der Probe angeordnet ist. Folglich
wird in 8 Licht von der Lichtquelle 4 durch
eine Projektivlinse 30a hindurch emittiert, um weg von einem einfachen
Spiegel 32a und dann räumlichen Lichtmodulator 34a zu reflektieren.
Licht, das durch den räumlichen Lichtmodulator 34a entlang dem Beleuchtungsstrahlengang
durchgelassen wird, wird dann weg vom dichroitischen Spiegel 38, durch
die Objektivlinsen 22 hindurch auf die Probe 20 reflektiert, wo
das Licht zurück durch die Objektivlinsen 22 hindurch, dann durch
den dichroitischen Spiegel 38 hindurch und auf den austrittsseitigen räumlichen
Lichtmodulator 34b reflektiert wird. Licht, das vom räumlichen Lichtmodulator
34b durchgelassen wird, setzt seinen Weg entlang dem Detektionspfad zu
einem einfachen Spiegel 32b, dann durch eine Projektivlinse 30b
hindurch zum Lichtdetektor 26 fort. Ein Vorteil des in 8
wiedergegebenen Mikroskops ist, dass, weil es zwei separate räumliche Lichtmodulatoren
gibt, die beiden räumlichen Lichtmodulatoren keinen identischen Ein/Aus-Zustand
für die Lichtdurchlasspixel darin aufzuweisen brauchen. Die Ausführungsform
in 8 wird auch bevorzugt, wo der Detektor ein Okular,
Fotovervielfacher (PMT), eine Videokamera oder eine andere nicht in Pixel aufgeteilte
Vorrichtung ist. Außerdem kann die Detektionsapertur im austrittsseitigen räumlichen
Lichtmodulator im Detektionsstrahlengang auf dieselbe Weise dynamisch variiert werden,
wie früher für räumliche Lichtmodulatoren beschrieben, die im Beleuchtungsstrahlengang
angeordnet sind.
Indem man sich 9 zuwendet, gibt die Figur
ein Mikroskop wieder, bei dem ein erster räumlicher Lichtmodulator in der konjugierten
Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse und eintrittsseitig von der Probe
angeordnet ist, und ein zweiter räumlicher Lichtmodulator austrittsseitig von
der Probe angeordnet ist, und zwar auch in der konjugierten Bildebene der Aperturblende
der Objektivlinse. Kurz gesagt, die Lichtquelle 4 emittiert Licht durch
die Lichtquellenlinse 12 hindurch entlang dem Beleuchtungspfad
3, durch die Projektivlinse 30a hindurch und auf die digitale
Mikrospiegelvorrichtung 34a. Die digitale Mikrospiegelvorrichtung
34a lässt dann selektiv einen gewünschten Teil des Lichts entlang
dem Beleuchtungsstrahlengang durch, um weg von dem einfachen Spiegel 32a
zu reflektieren, durch Kondensorlinsen 16 und dann durch die Probe
20 hindurchzutreten. Von der Probe 20 ausgehendes Licht tritt
durch die Objektivlinsen 22 hindurch, reflektiert weg vom einfachen Spiegel
32b und wird auf die digitale Mikrospiegelvorrichtung 34b durchgelassen.
Der digitale Mikrospiegel 34b lässt dann einen ausgewählten Teil
des Lichts entlang dem Detektionsstrahlengang 5 durch die Projektivlinse
30b hindurch und auf den Lichtdetektor 26 durch. Die Bereitstellung
eines räumlichen Lichtmodulators eintrittsseitig von der Probe in einer konjugierten
Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse liefert das Vermögen, um den
Beleuchtungswinkel einer Probe und deshalb gleichzeitig den Detektionswinkel von
von der Probe ausgehendem Licht zu steuern. Außerdem kann ein solches Mikroskop
selektiv die Lichtmenge steuern, die eine Probe erreicht, welche Menge (wie bei
dem räumlichen Lichtmodulator, der in der konjugierten Bildebene der Probe
angeordnet ist) kleiner ist als die Lichtmenge bloß als Artefakt aufgrund des
Hindurchtretens durch Linsen, Filter usw. In einigen Ausführungsformen kann
die Lichtmenge etwa zwischen 1% bis 99% reduziert werden. Diese Reduktion in der
Lichtmenge kann erzielt werden, indem man die gewünschte Beleuchtungsmenge
auswählt und dann einen entsprechenden ausgewählten Teil der einzelnen
Lichtdurchlasspixel ein- oder ausschaltet. Ein solcher ausgewählter Teil ist
zumindest wesentlich kleiner als sämtliches Beleuchtungslicht, genug, um eine
messbare Verminderung der Beleuchtung in Bezug zum gesamten Beleuchtungslicht zu
erzielen.
Mikroskope mit einem räumlichen Lichtmodulator an einer konjugierten
Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse, wie z.B. dasjenige, das in
9 wiedergegeben ist, können für Dunkelfeldmikroskopie,
Hellfeldmikroskopie und Wechselfolgen zwischen den beiden sorgen, sowie Wechselfolgen
zwischen Arten von Dunkelfeldmikroskopie, wenn unterschiedliche Bereiche des räumlichen
Lichtmodulators ein- und ausgeschaltet werden.
Dies kann ausgeführt werden, indem man ein gewünschtes Muster
für die Dunkelfeldmikroskopie in den einzelnen Lichtdurchlasspixeln des eintrittsseitigen
räumlichen Lichtmodulators auswählt. Ein solches gewünschtes Muster
umfasst einen ausgewählten Teil der einzelnen Lichtdurchlasspixel, welcher
Teil wesentlich kleiner ist als sämtliche solche Pixel; er wird ausreichend
reduziert, so dass ein messbarer Dunkelfeldeffekt in Bezug zum Hellfeld erzielt
wird (wobei Hellfeld Weitbereichsbeleuchtung und -detektion dieses selben Bereichs
ist). In einigen Ausführungsformen liefert das Mikroskop einen hauptsächlichen
oder selbst einen alleinigen Dunkelfeldeffekt. Ein komplementäres Muster wird
dann im Detektionsstrahlengang angeordnet, vorzugsweise über Verwendung einer
zweiten digitalen Mikrospiegelvorrichtung, die das komplementäre Muster in
ihrem in Pixel aufgeteilten Array umfasst. Das komplementäre Muster ist das
Komplement zu dem gewünschten Mustersatz im räumlichen Lichtmodulator
im Beleuchtungsstrahlengang. Wenn das gewünschte Muster eine Mehrzahl von konzentrischen
Kreisen ist, dann würde z.B. das komplementäre Muster ein entsprechendes
Muster von konzentrischen Kreisen sein, außer dass das komplementäre Muster
Licht in den konzentrischen Kreisen blockieren würde, die im gewünschten
Muster lichtdurchlässig sind.
Außerdem ermöglicht die Änderung im Beleuchtungswinkel,
die durch solche Mikroskope möglich gemacht wird, die Bestimmung von 3-D-Bildern
der Probe. Z.B. kann die Probe aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen Winkeln
beleuchtet werden, und dann können die Änderungen in der Intensität
in dem auf einzelne Pixel im Detektionsarray auftreffenden Licht detektiert werden
und dann durch einen Kontroller kombiniert, zusammengestellt und/oder rekonstruiert
werden, um ein 3-D-Bild der Probe zu liefern. Außerdem oder alternativ können
die Lichtwinkel moduliert werden, um eine Mehrzahl von unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln
auszuwählen, die die Probe in unterschiedlichen Tiefen abtasten. Die von den
unterschiedlichen Tiefen erhalte Information kann dann erhalten und tomographisch
rekonstruiert werden, typischerweise durch den Kontroller, um ein 3-D-Bild der Probe
zu liefern, jeweils eine einzige Schicht. Es ist ein signifikanter Vorteil der vorliegenden
Erfindung, dass eine solche 3-D-Abbildung bewerkstelligt werden kann, ohne dass
man die Probe, eine Kondensorlinse oder eine Objektivlinse oder irgendeinen anderen
Teil des Mikroskops außer dem räumlichen Lichtmodulator bewegt.
Dies ähnelt dem Vermögen von Mikroskopen, die einen räumlichen
Lichtmodulator an der konjugierten Bildebene der Objektivlinsen-Aperturblende aufweisen,
um die verschiedensten Dunkelfelduntersuchungen sowie eine Wechselfolge zwischen
Dunkelfeld und Hellfeld durchzuführen, ohne die Probe, Kondensorlinsen, Objektivlinsen
und andere Teile des Mikroskops außer den Lichtdurchlasspixeln des räumlichen
Lichtmodulators zu bewegen. Folglich können solche Wechselfolgen ohne Refokussieren
durchgeführt werden. Ein anderer Vorteil der schnellen Wechselfolge zwischen
Dunkelfeld- und Hellfeldmikroskopie insbesondere bei Mikroskopen, die einen räumlichen
Lichtmodulator an der konjugierten Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse
aufweisen, ist, dass Licht, das von der Probe gestreut und/oder gebrochen wird,
das normalerweise während des quantitativen Messprozesses bei quantitativer
Hellfeldmikroskopie nicht korrekt berücksichtigt wird, an jeder Stelle in der
Probe gemessen werden kann. Dies ermöglicht eine genauere Quantifizierung der
Lichtmenge, die durch Absorption verlorengeht. Dies kann besonders wichtig sein,
wenn man versucht, die gesamte Menge von Licht zu quantifizieren, die über
gegebene Bereiche der Probe absorbiert wird, und stellt eine genauere räumliche
Absorptionsdarstellung der Probe bereit.
Wenn 3-D-Bilder wie hierin beschrieben erzeugt werden, ist typischerweise
das Signal-Rausch-Verhältnis der Bilder, das für unterschiedliche Beleuchtungswinkel
erforderlich ist, hoch genug, dass die Rekonstruktion nicht instabil wird und tatsächlich
konvergiert. Abhängig von der Dicke der 3-D-Probe, die analysiert wird, ist
in jedem Bild mehr oder weniger Nicht-im-Fokus-Information enthalten. Wenn die Probe
zu dick in Bezug zur angenäherten Schärfentiefe des verwendeten Objektivs
ist, dann kann die Nicht-im-Fokus-Information die Im-Fokus-Information überschwemmen,
wodurch eine Rekonstruktion schwierig oder selbst unmöglich gemacht wird.
10 gibt schematisch eine Ausführungsform für
ein Mikroskop wieder, das dieses Problem löst. Kurz gesagt, umfasst
10 vier räumliche Lichtmodulatoren, zwei im Beleuchtungsstrahlengang
und zwei im Detektionsstrahlengang, wobei einer in jedem Strahlengang in der konjugierten
Bildebene der Probe angeordnet ist und einer in jedem Strahlengang in der konjugierten
Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse angeordnet ist. Demgemäß
emittiert in der Figur die Lichtquelle 4 Licht zum einfachen Spiegel
32a, der Licht zu einem ersten räumlichen Lichtmodulator
34a reflektiert, der in einer eintrittsseitigen konjugierten Bildebene
der Aperturblende der Objektivlinse angeordnet ist. Der räumliche Lichtmodulator
34a lässt einen gewünschten Teil des Lichts entlang dem Beleuchtungsstrahlengang
3 zur Projektivlinse 30a durch, wonach es weg vom einfachen Spiegel
32b reflektiert wird und zu einem zweiten räumlichen Lichtmodulator
34b durchgelassen wird, welcher räumliche Lichtmodulator in einer
eintrittsseitigen konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist. Der zweite räumliche
Lichtmodulator 34b lässt dann das gewünschte Licht durch die
Kondenssorlinsen 16 hindurch zur Probe 20 durch, wo das Licht
durch die Probe hindurch, durch die Objektivlinsen 22 hindurch und auf
einen dritten räumlichen Lichtmodulator 34c durchgelassen wird, der
in einer austrittsseitigen konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist. Licht,
von dem man wünscht, dass es zum Lichtdetektor 26 durchgelassen wird,
wird dann durch den dritten räumlichen Lichtmodulator 34c zum einfachen
Spiegel 32c durchgelassen, wo es durch die Projektivlinsen 30b
hindurch und auf einen vierten räumlichen Lichtmodulator
34d reflektiert wird, welcher Modulator in einer austrittsseitigen konjugierten
Bildebene der Aperturblende der Objektivlinse angeordnet ist. Der vierte räumliche
Lichtmodulator lässt dann gewünschtes Licht zum einfachen Spiegel
32d durch, der das Licht zum Lichtdetektor 26 reflektiert.
Wegen der Kombination von räumlichen Lichtmodulatoren in sowohl
der konjugierten Bildebene der Probe als auch der konjugierten Bildebene der Aperturblende
der Objektivlinse ist es möglich, selektiv sämtliche Merkmale zu kombinieren,
die oben für räumliche Lichtmodulatoren erörtert wurden, die in einer
oder einer anderen der Ebenen angeordnet sind. Z.B. sorgt ein Kombinieren von konfokaler
Mikroskopie mit einer Beleuchtung unter den unterschiedlichsten Winkeln für
konfokale 3-D-Durchlicht- und Reflexionsmikroskopie. Wegen der schnellen Schaltzeit,
die unter Verwendung der räumlichen Lichtmodulatoren möglich ist, ist
es weiter möglich, ein solches konfokales 3-D-Bild in Echtzeit zu sehen. Wegen
des Vermögens Nicht-im-Fokus-Information zu berechnen und zu berücksichtigen,
wie oben erörtert, kann außerdem eine solche Information begrenzt und
gesteuert werden, wodurch die Rekonstruktionsaufgabe bei der Herstellung des 3-D-Bildes
vereinfacht wird.
Die Hinzufügung von geeigneten Filtern ermöglicht auch,
dass der Prozess für eine gesteuerte konfokale Fluoreszenzabbildung verwendet
wird (in der Tat können alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
für Fluoreszenzmikroskopie verwendet werden). Ein anderer Vorteil eines Kombinierens
von räumlichen Lichtmodulatoren in beiden Ebenen besteht darin, dass es möglich
ist, einige Effekte sphärischer Aberration zu korrigieren, indem man Bilder
der Probe unter Verwendung von ausgewählten Beleuchtungs- und Detektionsausrichtungen
von ausgewählten z-Positionen der Probe erfasst, wie in 11
veranschaulicht. In 11 gibt der obere Teil der Figur die Aufnahme
von drei Bildern einer Probe in drei unterschiedlichen Tiefen wieder, gefolgt im
Mittelteil der Figur vom Auswählen der Lichtstrahlen von jedem Teil, die in
einer speziellen gewünschte Tiefe konvergieren (äquivalent zur zweiten
Probentiefe im oberen Teil der Figur), dem sich dann das Kombinieren der gewünschten
Beleuchtungswinkel in allen drei Probentiefen anschließt, wie schematisch im
unteren Teil von 11 darstellt.
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
sie leicht durchgeführte zeitverzögerte Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht.
Dies kann erreicht werden, indem man gewünschte Beleuchtungspixel in den räumlichen
Lichtmodulatoren im Beleuchtungsstrahlengang einschaltet und dann entsprechende
Pixel in den räumlichen Lichtmodulatoren (oder Detektor) im Detektionsstrahlengang
ausschaltet. Nachdem genug Zeit zur Anregung von Fluoreszenz in der Probe verstrichen
ist, welche Fluoreszenz Autofluoreszenz sein kann oder Fluoreszenz aufgrund von
Materialien, wie z.B. zur Probe hinzugefügte Farbstoffe, werden die räumlichen
Lichtmodulatoren im Beleuchtungsstrahlengang ausgeschaltet, und eine kurze Zeit
später werden die Detektionspixel des Detektors oder die Lichtdurchlasspixel
der räumlichen Lichtmodulatoren, die im Detektionsstrahlengang angeordnet sind,
eingeschaltet. Ein Beispiel für die Zeitsteuerung für eine solche Situation
ist in 12 wiedergegeben. Kurz gesagt, wird der räumliche
Beleuchtungslichtmodulator 34b für eine kurze definierte Zeit t0-t1
eingeschaltet, und dann wird eine kurze Zeit später der räumliche Detektionslichtmodulator
für eine definierte Zeit t2-t3 eingeschaltet, nach welcher
Zeit der räumliche Beleuchtungslichtmodulator 34b wieder eingeschaltet
wird. Eine solche Mikroskopie kann sowohl im konfokalen als auch Weitfeld-Modus
durchgeführt werden.
13 gibt schematisch eine Anordnung von Linsen, Spiegeln
und räumlichen Lichtmodulatoren wieder, die dem in 10
dargelegten Mikroskop ähnelt, außer dass das Mikroskop in 13
für Reflexionsmikroskopie geeignet ist, anstatt für Durchlichtmikroskopie.
In 13 emittiert die Lichtquelle 4 Licht durch
einen Strahlteiler 60 hindurch zu einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung
34a. Der Strahlteiler 60 kann ein dichroitischer Spiegel oder
ein anderer Typ von Strahlteiler sein, andere Strahlteiler als dichroitische Spiegel
können bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch verwendet
werden. Gewünschtes Licht wird dann entlang dem Beleuchtungsstrahlengang
3 durch die Projektivlinse 30 hindurch reflektiert, um weg von
dem einfachen Spiegel 32 auf eine zweite digitale Mikrospiegelvorrichtung
34b zu reflektieren. Gewünschtes Licht wird dann durch die digitale
Mikrospiegelvorrichtung 34b durch die Objektivlinsen 22 hindurch
und auf die Probe 20 durchgelassen, wo das Licht zurück durch die
Objektivlinsen 22 hindurch, weg von der digitalen Mikrospiegelvorrichtung
34b und dem einfachen Spiegel 32, durch die Projektivlinse
30 hindurch und weg von der ersten digitalen Mikrospiegelvorrichtung
34a reflektiert wird. Gewünschtes Licht wird dann zurück entlang
dem Strahlengang durchgelassen, bis es den dichroitischen Spiegel 38 trifft,
wo es zum Lichtdetektor 26 reflektiert wird. Folglich liefert das in
13 wiedergegebene Mikroskop eine Beleuchtung eines
einzelnen Flecks oder Musters von Flecken, wie zuvor beschrieben, und für jeden
Fleck oder Muster von Flecken können die unterschiedlichsten Beleuchtungswinkel
sequenziell implementiert sein, und für jeden Winkel wird ein Bild oder eine
Messung erfasst. Folglich können alle Bereiche der Ebene der Probenoberfläche
erfasst werden. Man kann dann die Position der Probe entlang der optischen Achse
des Mikroskops ändern und den Prozess für das neue Niveau der Probe wiederholen. Folglich
kann Information von der ganzen Oberfläche von Interesse erfasst und tomographisch
rekonstruiert werden, um eine 3-D-Darstellung der Oberfläche der Probe zu erzeugen.
Die Mikroskope hierin sind folglich gegenüber herkömmlicher Reflexionsmikroskopie
vorteilhaft, weil die Oberflächenausrichtung von jeder Stelle der Probe auf
eine verhältnismäßig unkomplizierte Weise festgestellt werden kann.
14 gibt schematisch eine andere Ausführungsform
eines Mikroskops wieder, das den Mikroskopen in den 10
und 13 ähnelt und vier räumliche Lichtmodulatoren
umfasst, zwei im Beleuchtungsstrahlengang und zwei im Detektionsstrahlengang, wobei
einer in jedem Strahlengang in der konjugierten Bildebene der Probe angeordnet ist
und einer in jedem Strahlengang in der konjugierten Bildebene der Aperturblende
der Objektivlinse angeordnet ist. Das Mikroskop in 10
wird zur Reflexionsmikroskopie verwendet und umfasst einen Strahlteiler
60, der zwischen den digitalen Spiegelvorrichtungen 34b,
34c und den Objektivlinsen 22 angeordnet ist.