Optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren und spektroskopisches bildgebendes Verfahren

Die Anmeldung betrifft eine optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren. Weiterhin betrifft die Anmeldung ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren, bei dem die optische Anordnung verwendet wird.

Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 112 253.5, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Die optische Anordnung kann insbesondere für eine

endoskopische Sonde vorgesehen sein, welche für die

spektroskopische Bildgebung an voluminösen Proben, z. B.

lebendem biologischem Gewebe, ausgelegt ist. Als bildgebendes Verfahren kann insbesondere ein nichtlinearer,

spektroskopischer Prozess verwendet werden, im speziellen kohärente Anti-Stokes Raman-Streuung (CARS, Coherent Anti- Stokes Raman Scattering) oder stimulierte Raman-Streuung (SRS, stimulated Raman Scattering) . Um diese Modalität zu ermöglichen, müssen zwei Lichtpulse hoher Spitzenintensität und verschiedener Frequenz zeitgleich an demselben Ort in der Probe überlagert werden.

Aus der Druckschrift US 7,414,729 B2 ist eine endoskopische Sonde für CARS-Spektroskopie bekannt, bei der das

Beleuchtungslicht mit zwei verschiedenen Wellenlängen, der Pump- und Stokes-Wellenlänge, durch dieselbe optische Faser zur Probe geführt werden. Bei der Führung der Pump- und Stokes-Wellenlänge in einer einzigen Faser kann das Problem auftreten, dass die

zeitgleiche Überlagerung der hoch-intensiven Lichtpulse zu einem nichtlinearen Vierwellenmischprozess führt, bei welchem Licht erzeugt wird, welches die gleiche optische Frequenz wie das zu messende Signal der Probe besitzt. Erreicht dieser intensitätsreiche, nichtresonante Untergrund die zu

untersuchende Probe, ist eine Unterscheidbarkeit zu dem zu messenden, intensitätsarmen Signal der Probe nicht mehr möglich. Daher ist es zwingend erforderlich, einen

Kurzpassfilter oder Bandpassfilter in den Strahlengang zu setzen, welcher optisch undurchlässig für den nichtresonanten Untergrund ist und nur die Pump- und Stokes-Wellenlänge zur Probe leitet. Einher geht hiermit jedoch, dass auch das CARS- Signal von der Probe nicht durch den gleichen Strahlengang von der Probe zur Faser gesammelt werden kann, was einen zweiten Strahlengang zur Kollektion des Probensignals mit der Anti-Stokes-Wellenlänge erfordert und somit der

Miniaturisierung des Systems Grenzen setzt.

Der Erfindung liegt gemäß einem Aspekt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung für ein spektroskopisches

bildgebendes Verfahren anzugeben, welche die Problematik des Auftretens eines nichtlinearen Vierwellenmischprozesses vermeidet und gleichzeitig einen kompakten Aufbau aufweist. Weiterhin soll ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren angegeben werden, das von der optischen Anordnung Gebrauch macht .

Diese Aufgaben werden durch eine optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren und ein

spektroskopisches bildgebendes Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die optische Anordnung für ein spektroskopisches bildgebendes Verfahren eine Mehrkern-Faser, die mindestens einen ersten Faserkern zur Führung eines ersten Beleuchtungslichts und einen zweiten Faserkern zur Führung eines zweiten Beleuchtungslichts aufweist. Die Faser ist insbesondere als Doppelkernfaser ausgebildet und kann somit vorteilhaft gleichzeitig das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht führen, wobei das erste Beleuchtungslicht und das zweite

Beleuchtungslicht insbesondere verschiedene Wellenlängen aufweisen. Die Faserkerne weisen vorzugsweise verschiedene Durchmesser und/oder verschiedene Materialien auf. Auf diese Weise kann die Singlemodigkeit und gleichzeitig eine gute Lichtführung für die jeweilige Wellenlänge gewährleistet werden .

Zum Abtasten des Objektraums weist die Mehrkern-Faser gemäß einer Ausgestaltung der optischen Anordnung einen

Faserscanner zur Auslenkung der Mehrkern-Faser auf. Der

Faserscanner kann beispielsweise als Piezo-Scanner ausgeführt sein. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung folgt der

Mehrkern-Faser ein Spiegelscanner nach. Der Spiegelscanner kann insbesondere als MEMS-Scanner ausgeführt sein. Durch den Faserscanner oder den Spiegelscanner wird eine zeitabhängige Strahlablenkung realisiert, welche die Bildgebung ermöglicht.

Weiterhin umfasst die optische Anordnung ein

wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement, das dazu eingerichtet ist, das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht in einem Objektraum räumlich und angular zu überlagern. Die optische Anordnung kann Bestandteil einer mikroskopischen Anordnung sein, insbesondere kann die

optische Anordnung in eine endoskopische Sonde integriert sein, die Bestandteil eines faseroptischen Endomikroskops ist .

Dadurch, dass das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht in der optischen Anordnung durch

verschiedene Faserkerne der Mehrkern-Faser geführt werden, wird vorteilhaft ein nichtlinearer Vierwellen-Mischprozess , der bei der Lichtführung beider Wellenlänge in der gleichen Faser auftreten kann, verhindert. Gleichzeitig ist

vorteilhaft kein weiterer Strahlengang in einer zweiten Faser erforderlich, sodass die optische Anordnung einen besonders kompakten Aufbau aufweisen kann.

Das spektroskopisch bildgebende Verfahren, für das die optische Anordnung vorgesehen ist, kann insbesondere CARS- Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie sein. Bei dem Verfahren werden zwei Lichtpulse des ersten Beleuchtungslichts und des zweiten Beleuchtungslichts mit verschiedenen Wellenlängen zeitgleich an demselben Ort einer Probe in dem Objektraum überlagert .

In dem ersten Faserkern wird insbesondere das erste

Beleuchtungslicht der Pumpwellenlänge und in dem zweiten Faserkern das zweite Beleuchtungslicht der Stokes-Wellenlänge geführt. Durch die separate Führung der Pumpwellenlänge und der Stokes-Wellenlänge in den beiden Faserkernen wird der unerwünschte Vierwellen-Mischprozess ausreichend

unterdrückt. Das erste Beleuchtungslicht und das zweite

Beleuchtungslicht werden insbesondere von einer

Laserlichtquelle erzeugt und in ein vom Objektraum abgewandtes Ende der Mehrkern-Faser eingekoppelt. Der

Frequenzunterschied der beiden Wellenlängen wird vorteilhaft so auf eine nachzuweisende molekülintrinsische

Vibrationsschwingung der Probe abgestimmt, dass er diese kohärent treibt und zur Emission einer dritten Wellenlänge, der Anti-Stokes-Wellenlänge führt, die für die

spektroskopische Bildgebung genutzt wird. Weiterhin erlaubt das vorgestellte Prinzip die simultane Bildgebung

zusätzlicher nichtlinearer Bildgebungsprozesse wie die

Höherharmonischen-Mikroskopie sowie Multiphotonenfluoreszenz- Mikroskopie .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das

wellenlängenselektive Strahlvereinigungselement zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner und dem Objektraum angeordnet. In diesem Fall werden das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht zum Abtasten des Objektraums abgelenkt, bevor sie durch das wellenlängenselektive

Strahlvereinigungselement, beispielsweise ein Gitter oder ein Prisma, vereinigt werden. Das erste Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht werden durch den Faserscanner oder den Spiegelscanner insbesondere in gleicher Weise abgelenkt, wobei das nachfolgendende wellenlängenselektive

Strahlvereinigungselement vorteilhaft unbewegt ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Kollimationslinse zwischen dem Faserscanner oder dem Spiegelscanner und dem wellenlängenselektiven Strahlvereinigungselement angeordnet. Die Kollimationslinse kann eine einteilige oder mehrteilige Linse sein. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Kollimationslinse eine Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse) .

Für die Strahlvereinigung des ersten und zweiten

Beleuchtungslichts mittels des wellenlängenselektiven Strahlvereinigungselements ist es vorteilhaft, wenn eine zumindest annähernde Kollimation der Beleuchtungslichter beider Wellenlängen vor dem wellenlängenselektiven

Strahlvereinigungselement erfolgt. Aus einem örtlichen

Versatz des ersten und zweiten Beleuchtungslichts beim

Austritt aus der Mehrkern-Faser kann beispielsweise mittels der Kollimationslinse ein Winkelversatz erzeugt werden. Das wellenlängenselektive Strahlvereinigungselement befindet sich vorteilhaft in der Fourierebene der Abbildungsoptik hinter dem Faserscanner oder Spiegelscanner, also insbesondere hinter der Kollimationslinse .

Die hier beschriebene optische Anordnung ermöglicht eine sehr gute beugungsbegrenzte Abbildungsqualität für die CARS- Bildgebung über ein vergleichsweise großes Bildfeld bezogen auf den Gesamtdurchmesser der optischen Anordnung.

Insbesondere werden Abbildungsfehler höherer Ordnung, die das nutzbare Bildfeld einschränken könnten, durch die optische Anordnung weitgehend vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der optischen

Anordnung enthält die Mehrkern-Faser einen lichtleitenden Mantel zur Führung eines aus dem Objektraum kommenden

Obj ektlichts , wobei der lichtleitende Mantel von einem äußeren Mantel umgeben ist, der einen geringeren

Brechungsindex als der lichtleitende Mantel aufweist. In der Mehrkern-Faser wird insbesondere nicht nur das

Beleuchtungslicht in Richtung des Objektraums, sondern vorteilhaft auch das zu detektierende Objektlicht in

entgegengesetzter Richtung zu einer Auswerteeinheit geführt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Mehrkern- Faser einen inneren Mantel auf, in dem die Faserkerne angeordnet sind, wobei der innere Mantel von dem lichtleitenden Mantel umgeben ist. Der innere Mantel weist vorteilhaft einen geringeren Brechungsindex als die

Faserkerne und einen geringeren Brechungsindex als der lichtleitende Mantel auf. Durch den inneren Mantel kann insbesondere eine Single-Mode-Lichtleiteigenschaft der beiden Faserkerne erzielt werden. Der innere Mantel kann

insbesondere mit Fluor dotiert sein. Der lichtleitende

Mantel, der zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren

Mantel angeordnet ist und einen höheren Brechungsindex aufweist, kann effizient zum Sammeln des Objektlichts genutzt werden .

Die Faserkerne der Mehrkern-Faser sind vorzugsweise aus

Quarzglas gebildet. Der innere Mantel und der äußere Mantel der Mehrkern-Faser können mit einem Dotierstoff wie

beispielsweise Fluor dotiert sein, um die Brechzahl zu erniedrigen. Der lichtleitende Mantel weist vorzugsweise reines Quarzglas auf oder ist zur Erhöhung der Brechzahl mit einem dazu geeigneten Dotierstoff wie z.B. Germaniumoxid dotiert .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Mehrkern- Faser eine polarisationserhaltende Faser. Zur Erzielung der polarisationserhaltenen Eigenschaft kann die Mehrkern-Faser insbesondere spannungserzeugende Elemente enthalten, welche durch Erzeugen einer permanenten Spannung eine

doppelbrechende Eigenschaft bewirken. Die

spannungserzeugenden Elemente können beispielsweise

stabförmig sein.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Mehrkern-Faser sind die Faserkerne asymmetrisch in der Mehrkern-Faser angeordnet. Insbesondere sind die Faserkerne bei dieser Ausgestaltung asymmetrisch zum Mittelpunkt der Mehrkern-Faser angeordnet. Beispielsweise können die Faserkerne verschiedene Abstände vom Mittelpunkt der Mehrkern-Faser aufweisen. Weiterhin können die Faserkerne vom Mittelpunkt der Mehrkern-Faser aus gesehen in der gleichen radialen Richtung hintereinander angeordnet sein. Je nachdem, wie stark sich das zu

detektierende Objektlicht von der Probe in der Wellenlänge von den Wellenlängen des in den Faserkernen geführten

Beleuchtungslichts unterscheidet, wird auch das Objektlicht durch das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement abgelenkt, so dass es nicht zentrisch auf die

Faserstirnfläche trifft. Dadurch kann die Sammeleffizienz der Faser für das Objektlicht beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Faserkerne asymmetrisch in der Mehrkern-Faser anzuordnen, insbesondere außermittig zum lichtleitenden Mantel.

Das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement der optischen Anordnung kann verschiedene Ausgestaltungen

aufweisen. Das Strahlvereinigungselement kann insbesondere ein Beugungsgitter, beispielsweise ein

Reflexionsbeugungsgitter oder Transmissionsbeugungsgitter sein. Bei einer Ausgestaltung ist das

Strahlvereinigungselement ein Reflexionsbeugungsgitter, so dass die optische Achse zum Objektraum abgewinkelt ist.

Alternativ kann das Strahlvereinigungselement mindestens ein Prisma oder Gitterprisma (GRISM) aufweisen, wobei das

Gitterprisma eine Kombination aus einem Beugungsgitter und einem Prisma ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung ist das Strahlvereinigungselement ein Mehrfach-Prisma, wobei die optische Achse ihre Richtung vorzugsweise nicht ändert. Es ist auch möglich, dass das Strahlvereinigungselement ein Prisma oder ein Mehrfach-Prisma ist und sich die Richtung der optischen Achse in Richtung des Objektraums gezielt ändert. Das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement kann zum Beispiel zwischen dem Faserscanner oder Spiegelscanner und dem Objektraum angeordnet sein. Alternativ kann das

wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement zwischen der Mehrkernfaser und dem Spiegelscanner angeordnet sein.

Die optische Anordnung kann zusätzlich zu den bisher

beschriebenen Komponenten weitere Elemente enthalten. Bei einer Ausgestaltung enthält die optische Anordnung

beispielsweise den Faserscanner, eine Gradientenindex-Linse (GRIN-Linse) , das wellenlängensensitive Ablenkelement sowie eine dem Objektraum zugewandte Frontlinsengruppe, die

beispielsweise einen sphärischen Achromat, eine Bikonvex- Linse und eine Plankonvex-Linse aufweist. Bei einer anderen Ausgestaltung enthält die optische Anordnung einen

Spiegelscanner, eine GRIN-Linse, ein Ablenkprisma, eine sphärischen Meniskuslinse, einen sphärischen Achromaten, das wellenlängensensitive Ablenkelement und eine

Frontlinsengruppe, die beispielsweise einen sphärischen

Achromat, eine Bikonvex-Linse und eine Plankonvex-Linse aufweist .

Die numerische Apertur der Mehrkern-Faser beträgt

vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,4. Die numerische Apertur der optischen Anordnung zum Objektraum beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,1.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die optische Anordnung einen Durchmesser von weniger als 5 mm auf. Der geringe Durchmesser wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die optische Anordnung zwischen der Mehrkern-Faser und dem Objektraum nur einen Strahlengang für das

Beleuchtungslicht und das zu detektierende Objektlicht aufweist .

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine endoskopische Sonde, welche die optische Anordnung enthält. Die

endoskopische Sonde kann Bestandteil eines faseroptischen Endomikroskops sein, das insbesondere die faseroptische

Sonde, eine Beleuchtungslichtquelle zur Erzeugung des ersten und zweiten Beleuchtungslichts und eine Auswerteeinheit aufweist .

Bei dem spektroskopischen bildgebenden Verfahren gemäß dem hierin vorgeschlagenen Prinzip wird ein erstes

Beleuchtungslicht in einem ersten Faserkern einer Mehrkern- Faser und ein zweites Beleuchtungslicht in einem zweiten Faserkern der Mehrkern-Faser geführt, wobei das erste

Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht

verschiedene Wellenlängen aufweisen. Das erste

Beleuchtungslicht und das zweite Beleuchtungslicht werden durch ein wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement in einem Objektraum räumlich überlagert. Das aus dem

Objektraum kommende Objektlicht wird in einem lichtleitenden Mantel der Mehrkern-Faser in Richtung einer Auswerteeinheit geführt .

Bei dem Verfahren ist die Mehrkern-Faser vorteilhaft in einen Faserscanner integriert, der die Faser senkrecht zur

Austrittsrichtung des Lichtes auslenkt, oder der Mehrkern- Faser folgt ein Spiegelscanner nach, wobei der Objektraum durch die Bewegung des Faserscanners oder des Spiegelscanners abgetastet wird. Hierbei ist zwischen der Mehrkern-Faser und dem Objektraum vorteilhaft nur ein einziger optischer Strahlengang ausgebildet, in dem das erste und zweite

Beleuchtungslicht in Richtung des Objektraums geführt werden, und in dem das Objektlicht in umgekehrter Richtung zur

Mehrkern-Faser geführt wird. Das spektroskopische bildgebende Verfahren kann insbesondere CARS-Spektroskopie oder SRS- Spektroskopie sein, wobei das erste Beleuchtungslicht die Pumpwellenlänge aufweist und das zweite Beleuchtungslicht die Stokes-Wellenlänge aufweist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung der optischen Anordnung und

umgekehrt .

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von

Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 10 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1A eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erstes Beispiel der Mehrkern-Faser,

Figur 1B eine schematische grafische Darstellung des

Brechungsindexverlaufs in der Mehrkern-Faser gemäß dem ersten Beispiel ,

Figur IC eine schematische grafische Darstellung des

Brechungsindexverlaufs in einem weiteren Beispiel der

Mehrkern-Faser,

Figur ID eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Beispiel der Mehrkern-Faser, Figuren 2 bis 10 jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beispiel der optischen Anordnung.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die

dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .

Die optische Anordnung und das Verfahren gemäß dem hier vorgeschlagen Prinzip basieren insbesondere auf der

Verwendung einer Mehrkern-Faser mit mehreren Mänteln, insbesondere einer Zweikern-Doppelmantel-Faser . Ein Beispiel einer Mehrkern-Faser 7 ist in Figur 1A gezeigt. Figur 1B zeigt schematisch den Verlauf des Brechungsindex n über den Querschnitt der Mehrkern-Faser in der Richtung x, welche in Figur 1A gezeigt ist.

Die Mehrkern-Faser 7 besitzt zwei Faserkerne 1, 2. Der erste Faserkern 1 führt ein erstes Beleuchtungslicht, insbesondere das Licht der Pump-Wellenlänge für CARS-Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie . Der zweite Faserkern 2 führt ein zweites Beleuchtungslicht, das eine von der Wellenlänge des ersten Beleuchtungslichts verschiedene Wellenlänge aufweist, insbesondere das Licht der Stokes-Wellenlänge für CARS- Spektroskopie oder SRS-Spektroskopie.

Vorzugsweise besitzen beide Faserkerne 1, 2 verschiedene Durchmesser oder Materialien, um die Singlemodigkeit und gleichzeitig gute Lichtführung für die jeweilige Wellenlänge zu gewährleisten. Falls die Faserkerne 1, 2 aus undotiertem Quarzglas gefertigt sind, vermindert dies außerdem die ungewünschte Multiphotonen-Eigenfluoreszenz in der Faser und gewährleistet damit einen besseren Kontrast, beispielsweise für die Multiphotonenfluoreszenz-Mikroskopie.

Diese beiden Faserkerne 1, 2 sind vorteilhaft in einen Fluor dotierten inneren Mantel 3 eingebettet, welcher einen

geringeren Brechungsindex besitzt als die beiden Faserkerne 1, 2. Auf diese Weise kann insbesondere eine single-mode Lichtleitungseigenschaft der beiden Faserkerne 1, 2 erzielt werden. Radial außerhalb vom inneren Mantel 3 folgt ein mittlerer Mantel, der bei der optischen Anordnung als lichtleitender Mantel 4 für das zu detektierende Objektlicht fungiert. Der lichtleitende Mantel 4 weist einen höheren Brechungsindex als der innere Mantel 3 auf und ist deshalb lichtleitend . Der lichtleitende Mantel 4 kann effizient zum integralen Sammeln des Obj ektlichts , beispielsweise des CARS-, SHG- oder Fluoreszenzsignals einer Probe genutzt werden, welches bei einem nichtlinearen Bildgebungsprozess erzeugt wird.

Der lichtleitende Mantel 4 ist von einem äußeren Mantel 5 umgeben, der einen geringeren Brechungsindex als der

lichtleitende Mantel 4 aufweist und so die Lichtleitung des erzeugten Objektlichts in dem lichtleitenden Mantel 4 ermöglicht .

Die Mehrkern-Faser 7 ist vorzugsweise eine

polarisationserhaltende Faser. Eine polarisationserhaltende Faser ist für einen nichtlinearen Bildgebungsprozess von Vorteil, da die Verwendung von polarisiertem Licht die geforderte Spitzenintensität minimiert und somit Schädigungen am zu untersuchenden Objekt verringert. Die

polarisationserhaltende Eigenschaft der Mehrkern-Faser 7 kann insbesondere durch das Einfügen von spannungserzeugenden Elementen 6 erreicht werden, welche eine asymmetrische

Lichtleitungseigenschaft der Faserkerne 1, 2 hervorrufen.

Figur IC zeigt den Brechungsindexverlauf in einer

alternativen Ausgestaltung der Mehrkern-Faser. Diese

Ausgestaltung der Mehrkern-Faser enthält keinen inneren

Mantel 3. Die Lichtleitung in den Faserkernen 1, 2 wird durch den höheren Brechungsindex in Bezug auf den lichtleitenden Mantel 4 realisiert, der beispielsweise mit Hilfe eines Dotierstoffs wie zum Beispiel Germanium realisiert wird.

In Figur ID ist eine weitere mögliche Ausgestaltung der

Mehrkern-Faser 7 dargestellt. Bei diesem Beispiel sind die beiden Faserkerne 1, 2 asymmetrisch in der Mehrkern-Faser 7 angeordnet, insbesondere außermittig zum lichtleitenden

Mantel 4. Diese Anordnung der Faserkerne 1, 2 ist

insbesondere dann vorteilhaft, wenn das zu detektierende Objektlicht durch das wellenlängendispersive

Strahlvereinigungselement 12 so abgelenkt wird, dass es nicht zentrisch auf die Faserstirnfläche trifft.

Ein erstes Beispiel der optischen Anordnung für ein

spektroskopisches bildgebendes Verfahren ist in Figur 2 dargestellt. Bei dem spektroskopischen bildgebenden Verfahren wird beispielsweise das Licht einer als

Beleuchtungslichtquelle dienenden externen Lasereinheit spektral geteilt und separat als erstes Beleuchtungslicht und zweites Beleuchtungslicht in die Faserkerne 1, 2 der

Mehrkern-Faser 7 eingekoppelt. Die Mehrkern-Faser 7 emittiert das Licht der beiden Wellenlängen mit einer bestimmten NA und einem räumlichen Versatz, welcher dem Abstand zwischen dem ersten Faserkern 1 und dem zweiten Faserkern 2 entspricht. Eine nachfolgende Kollimationslinse 11 führt zu einer

annähernden Kollimation des Beleuchtungslichts beider

Wellenlängen. Der örtliche Versatz am Faseraustritt wird hier zu einem wellenlängenspezifischen Winkelversatz, welcher daraufhin von einem lateral wellenlängendispersiven

Strahlvereinigungselement 12 räumlich und angular überlagert wird. Eine darauf folgende Frontlinsengruppe 13 fokussiert nun die Strahlenbündel des Beleuchtungslichts mit einer ausreichend hohen NA im Objektraum 14 um die für die

Bildgebungsprozesse geforderten Phasenanpassungsbedingungen und notwendigen Spitzenintensitäten zu erfüllen. Das im

Objektraum erzeugte zu detektierende Objektlicht kann

insbesondere ein Antistokes-Signal, ein SHG-Signal (Second Harmonie Generation) und/oder ein TPF-Signal (Two-Photon Fluorescence) sein. Das Objektlicht wird in der optischen Anordnung auf dem gleichen Strahlengang zurückgeführt und von dem lichtleitenden Mantel der Mehrkern-Faser 7 integrativ aufgesamme11.

Das distale Ende der Mehrkern-Faser 7 ist bei dem Beispiel der Figur 2 mit einem Faserscanner (nicht dargestellt) versehen, um die Mehrkern-Faser auszulenken. Durch eine laterale Auslenkung der Faserstirnfläche, z. B. durch einen Piezofaserscanner oder ein anderes geeignetes Verfahren, wird der Objektraum 14 entsprechend der Vergrößerung der optischen Anordnung abgetastet. Durch die übereinstimmende Bewegung des lichtleitenden Mantels der Mehrkern-Faser 7 fungiert diese als quasi-konfokaler optischer Detektor für das von der Probe im Volumen um den Anregungsspot emittierte Signal. Je nachdem wie groß und mit welcher numerischen Apertur der

lichtleitende Mantel 4 der Mehrkern-Faser 7 gestaltet ist, kann die Konfokalität beeinflusst werden. Für eine hohe

Sammeleffizienz sollte der mittlere lichtleitende Mantel 4 der Mehrkern-Faser 7 möglichst groß sein, damit auch das Volumen um den Anregungsspot herum, in dem das zu

detektierende Objektlicht gestreut wird, durch den

lichtleitenden Mantel mit erfasst wird.

Je nachdem, wie stark sich das zu detektierende Objektlicht der Probe in der Wellenlänge von den in den Faserkernen 1, 2 geführten Wellenlängen des Beleuchtungslichts unterscheidet, wird auch das Objektlicht durch das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement 12 abgelenkt, so dass es nicht zentrisch auf die Faserstirnfläche trifft. Dadurch kann die Sammeleffizienz der Mehrkern-Faser 7 für das Objektlicht beeinträchtigt werden. Deshalb kann es vorteilhaft sein, den Bereich der beiden Faserkerne 1 und 2 außermittig zum

lichtleitenden Mantel 4 anzuordnen bzw. diesen asymmetrisch zu gestalten, wie beim Beispiel der Mehrkern-Faser 7 gemäß Figur ID. Andererseits werden dadurch der Herstellungsaufwand und im Fall einer Vergrößerung des Querschnitts auch die Steifigkeit der Mehrkern-Faser 7 erhöht, was eine räumliche Vergrößerung und einen erhöhten Energieverbrauch des Scanners nach sich zieht, um die notwendige laterale Auslenkung zur Abtastung des Objektraums 14 zu gewährleisten. Hier ist ein technisch sinnvoller Kompromiss zu finden.

Zur Bildgebung kann beispielsweise ein Photomultiplier (PMT) oder ein Spektrometer, welches in Abstimmung mit dem

Anregungssignal getriggert ist, am proximalen Ende der

Mehrkern-Faser 7 als Detektor des von der Probe emittierten Lichtes verwendet werden. Vorteilhaft ist, dass kein zweiter Strahlengang in der optischen Anordnung notwendig ist, um das Objektlicht zu sammeln, und auch keine Cleaningfilter in der optischen Anordnung verwendet werden müssen, da der

unerwünschte Vierwellenmischprozess innerhalb der Mehrkern- Faser 7 durch die separate Führung des Beleuchtungslichts mit der Stokes-Wellenlänge und des Beleuchtungslichts mit der Pumpwellenlänge ausreichend unterdrückt wird.

Ein zweites Beispiel der optischen Anordnung ist in Figur 3 dargestellt. Bei diesem Beispiel folgen der Mehrkern-Faser 7 eine Kollimationseinheit 8 und ein Spiegelscanner 9 nach. Der Spiegelscanner 9 ist ein MEMS-Spiegelscanner . Eine dem

Spiegelscanner 9 nachfolgende Linse 10 erzeugt ein

Zwischenbild, welches anschließend von einer als weitere Kollimationseinheit 11 fungierenden Linsengruppe, dem

wellenlängendispersiven Strahlvereinigungselement 12 und der Frontlinsengruppe 13 in den Objektraum 14 geleitet wird.

Analog zu dem Beispiel der Figur 2 werden das erste und zweite Beleuchtungslicht, insbesondere das Licht der

Pumpwellenlänge und Stokes-Wellenlänge, von dem

Strahlvereinigungselement 12 räumlich und angular vereint.

Das Strahlvereinigungselement 12 kann beispielsweise ein lineares Beugungsgitter sein.

Die Position des Strahlvereinigungselements 12 kann in diesem Design der optischen Anordnung unterschiedlich gewählt werden, da es zwei Fourierebenen in dieser Anordnung gibt.

Das Strahlvereinigungselement 12 kann entsprechend entweder direkt nach der Kollimationseinheit 8 oder nach der weiteren Kollimationseinheit 11 angeordnet werden.

In Figur 4 ist ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung gezeigt. Verwendet wird in diesem und jedem weiteren Beispiel eine Mehrkern-Faser 7. Bei der Mehrkern-Faser 7 sind die Mittelpunkte der beiden Faserkerne 1, 2 in der gezeigten Ebene beispielsweise 24 ym voneinander entfernt und weisen eine Numerische Apertur für die Pump- und Stokes-Wellenlänge von 0,12 auf. Die Kollimationseinheit 11 ist als GRIN-Linse ausgebildet und kollimiert in der optischen Anordnung das Beleuchtungslicht, welches aus der als Faserscanner

ausgebildeten Mehrkern-Faser tritt. Anschließend wird das Beleuchtungslicht von dem wellenlängendispersiven

Strahlvereinigungselement 12, das beispielsweise ein lineares Transmissionsbeugungsgitter ist und einen

wellenlängenabhängigen Beugungswinkel erzeugt, räumlich und angular überlagert. Hierbei sind die Gitterlinien des

Transmissionsbeugungsgitters orthogonal zum räumlichen

Versatz der Faserkerne 1, 2 angeordnet.

Eine anschließende, chromatische und andere Abbildungsfehler über das Bildfeld korrigierende Frontlinsengruppe 13, die zum Beispiel aus einem Achromaten und zwei sphärischen Singlet- Linsen besteht, fokussiert das Licht mit einer numerischen Apertur von beispielsweise etwa 0,54 in den Objektraum 14, in welchem es zu dem spektroskopischen bildgebenden,

nichtlinearen CARS-Prozess an einer Probe kommt. Dabei ist eine NA von mindestens 0,15 vorteilhaft, um insbesondere die Bedingung der Impulserhaltung zu gewährleisten. Das erzeugte Signal wird nachfolgend auf dem gleichen Weg zurück zur

Mehrkern-Faser 7 geführt und durch den lichtleitenden Mantel 4 aufgesamme11.

Es kann eine Abschätzung für den paraxialen Fall nach

folgender Vorschrift für die Gitterperiode des als

Transmissionsbeugungsgitter ausgebildeten

Strahlvereinigungselements 12 gefunden werden:

g = (f * Dl) / a. Die Gitterperiode g wird in ym pro Linie angegeben, f ist die Fokuslänge der Kollimationseinheit 11,

Dl entspricht der Wellenlängendifferenz zwischen der Pump- und Stokes-Wellenlänge, und a entspricht dem Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Faserkerne 1, 2. In dem

gezeigten Beispiel ist f = 3, 92 mm, Dl = 245 nm und a = 24 ym, woraus sich eine Gitterperiode des

Strahlvereinigungselements 12 von 40 ym pro Linie ergibt.

In Figur 5 ist ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung gezeigt, bei der das wellenlängendispersive

Strahlvereinigungselement 12 durch ein Zweikomponentenprisma realisiert wird. Das Prisma besteht aus einem Krön- und einem Flintglas und ist so gestaltet, dass es den geforderten, wellenlängenselektiven Winkelversatz erzeugt, hingegen die Richtung der optischen Achse beibehalten wird. Die

Funktionsweise der weiteren Komponenten entspricht dem vorherigen Beispiel der Figur 4.

Die Figur 6 und die Figur 7 zeigen weitere Beispiele der optischen Anordnung, die im Wesentlichen analog zu den

Beispielen der Figuren 4 und 5 sind, hingegen unter

Verwendung eines MEMS-Spiegelscanners 9, welcher den

Faserscanner ersetzt. In den Beispielen der Figuren 6 und 7 ist die Mehrkern-Faser 7 an einer als Kollimationseinheit 8 fungierenden GRIN-Linse befestigt. Mittels eines Prismas wird ein um 90° abgelenkter, kollimierter Strahl des

Beleuchtungslichts erzeugt. Dieser Strahl des

Beleuchtungslichts wird durch einen MEMS-Spiegelscanner 9 gescannt und durch eine chromatisch und über das Bildfeld korrigierende Linsengruppe 10 in ein Zwischenbild fokussiert. Hier beginnt ein analoger Aufbau, wie er in den Beispielen der Figuren 5 und 6 beschrieben wurde.

Ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung ist in Figur 8 dargestellt. Dieses zeigt die Möglichkeit einer abgewinkelten Messung unter Verwendung eines Prismas als wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement 12. Bei diesem Beispiel erfolgt eine Strahlablenkung mittels des Prismas um 35 Grad. Die Kollimationseinheit 11 ist bei diesem Beispiel eine Linsengruppe, die aus einer GRIN-Linse und einer Doublet-Linse besteht, und die Frontlinsengruppe 13 ist aus zwei Singlet-Linsen gebildet.

Ein weiteres Beispiel der optischen Anordnung ist in Figur 9 gezeigt, bei der eine rechtwinklige Strahlablenkung in

Richtung des Objektraums 14 erfolgt, wie sie in

endoskopischen Anwendungen von Vorteil sein kann. Wie bei dem vorherigen Beispiel kann die Kollimationseinheit 11 eine Linsengruppe sein, die aus einer GRIN-Linse und einer

Doublet-Linse besteht, und die Frontlinsengruppe 13 ist aus zwei Singlet-Linsen gebildet. Das wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement 12 ist bei diesem Beispiel ein lineares Reflexionsbeugungsgitter, welches unter 45 Grad zur optischen Achse angeordnet ist und beispielsweise eine

Gitterperiode von 55,5 ym pro Linie aufweist.

In Figur 10 ist ein Beispiel der optischen Anordnung

dargestellt, bei der das Strahlvereinigungselement 12 ein Gitterprisma (GRISM, grating prism) ist, das aus einer

Kombination aus einem Beugungsgitter und einem Prisma

besteht. Dies bietet die Möglichkeit, den spektralen Verlauf der Bündelablenkung so zu beeinflussen, dass das zu

detektierende kurzwelligere Objektlicht von der Probe

seitlich nicht zu stark abgelenkt wird und effizient durch den lichtleitenden Mantel der Mehrkern-Faser 7 aufgesammelt werden kann, insbesondere dann, wenn der lichtleitende Mantel 4 symmetrisch zu den Faserkernen (wie in Figur 1A) angeordnet ist . Oft ist es günstig, dass die optische Achse der optischen Anordnung nicht gekippt wird. Dies ist insbesondere durch die Verwendung eines Transmissionsgitters als

wellenlängendispersives Strahlvereinigungselement 12, wie in den Beispielen der Figuren 4 und 6, oder eines Doppelprismas 12, wie in den Beispielen der Figuren 5 und 7, oder durch die Kombination aus einem Gitter und einem Prisma wie im Beispiel der Figur 10 möglich. Unter Umständen kann es aber auch vorteilhaft sein, dass die optische Achse innerhalb der optischen Anordnung gekippt wird, beispielsweise bei einer endoskopischen Sonde, die seitlich orientierte

Probenbereiche, z. B. während einer Endoskopie, erfassen soll. In diesem Fall ist es günstig, das

wellenlängendispersive Strahlvereinigungselement 12 als

Reflexionsbeugungsgitter, wie im Beispiel der Figur 9, zu realisieren, oder durch ein Ablenkprisma, wie im Beispiel der Figur 8, zu realisieren.

Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die

Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von

Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den

Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.