DE10155002A1 - Depth-resolved optical imaging method for use in biological scanning microscopy, uses phase or frequency modulation of the imaging light - Google Patents
Depth-resolved optical imaging method for use in biological scanning microscopy, uses phase or frequency modulation of the imaging lightInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung in der Mikroskopie, insbesondere der Fluoreszenz Laser Scanning Mikroskopie zur Untersuchung von vorwiegend biologischen Proben, Präparaten und zugehörigen Komponenten. Mit eingeschlossen sind auf Fluoreszenzdetektion basierenden Verfahren zum Screenen von Wirkstoffen (High Throughput Sceening) sowie auf anderen Kontrastmechanismen basierende Methoden der Laser Scanning Mikroskopie. The invention relates to a method and an arrangement in the Microscopy, especially fluorescence laser scanning microscopy Examination of predominantly biological samples, preparations and associated components. Are included on Fluorescence detection based methods for screening active substances (High Throughput Sceening) as well as on other contrast mechanisms based methods of laser scanning microscopy.
Stand der TechnikState of the art
Ein klassisches Anwendungsgebiet der Lichtmikroskopie zur Untersuchung von biologischen Präparaten ist die Fluoreszenzmikroskopie (Lit.: Pawley, "Handbook of Biological Confocal Microscopy"; Plenum Press 1995). Hierbei werden bestimmte Farbstoffe zur spezifischen Markierung von Zellteilen verwendet. A classic application of light microscopy for examination of biological preparations is fluorescence microscopy (Lit .: Pawley, "Handbook of Biological Confocal Microscopy"; Plenum Press 1995). in this connection are certain dyes for the specific marking of cell parts used.
Die eingestrahlten Photonen einer bestimmten Energie regen die Farbstoffmoleküle durch die Absorption eines Photons aus dem Grundzustand in einen angeregten Zustand an. Diese Anregung wird meist als Einphotonen-Absorption bezeichnet (Abb. 1a). Die so angeregten Farbstoffmoleküle können auf verschiedene Weise in den Grundzustand zurück gelangen. In der Fluoreszenzmikroskopie ist der Übergang unter Aussendung eines Fluoreszenzphotons am wichtigsten. Die Wellenlänge des emittierten Photons ist aufgrund der Stokesverschiebung im Vergleich zur Anregungsstrahlung generell rot verschoben, besitzt also eine größere Wellenlänge. Die Stokesverschiebung ermöglicht die Trennung der Fluoreszenzstrahlung von der Anregungsstrahlung. The irradiated photons of a certain energy excite the dye molecules by absorbing a photon from the ground state to an excited state. This excitation is usually referred to as single-photon absorption ( Fig. 1a). The dye molecules excited in this way can return to the ground state in various ways. In fluorescence microscopy, the transition with the emission of a fluorescence photon is most important. The wavelength of the emitted photon is generally red due to the Stokes shift compared to the excitation radiation, so it has a longer wavelength. The Stokes shift enables the fluorescence radiation to be separated from the excitation radiation.
Das Fluoreszenzlicht wird mit geeigneten dichroitischen Strahlteilern in Kombination mit Blockfiltern von der Anregungsstrahlung abgespalten und getrennt beobachtet. Dadurch ist die Darstellung einzelner, mit verschiedenen Farbstoffen eingefärbten Zellteilen möglich. Grundsätzlich können jedoch auch mehrere Teile eines Präparates gleichzeitig mit verschiedenen sich spezifisch anlagernden Farbstoffen eingefärbt werden (Mehrfachfluoreszenz). Zur Unterscheidung der von den einzelnen Farbstoffen ausgesendeten Fluoreszenzsignale werden wiederum spezielle dichroitische Strahlteiler verwendet. The fluorescent light is in with suitable dichroic beam splitters Combination with block filters split off from the excitation radiation and observed separately. This is the representation of individual, with different Colored cell parts possible. Basically, however also several parts of a preparation at the same time with different ones specific accumulating dyes are colored (multiple fluorescence). To differentiate between those emitted by the individual dyes Fluorescence signals in turn become special dichroic beam splitters used.
Neben der Anregung der Farbstoffmoleküle mit einem hochenergetischen Photon (Einphotonen-Absorption) ist auch eine Anregung mit mehreren Photonen geringerer Energie möglich (Abb. 1b). Die Summe der Energien der Einzelphotonen entspricht hierbei ungefähr der des hochenergetischen Photons. Diese Art der Anregung der Farbstoffe wird als Mehrphotonen- Absorption bezeichnet (Lit.: Corle, Kino; "Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems"; Academic Press 1996). Abb. 1b zeigt eine Anregung mittels der simultanen Absorption von 2 Photonen im nahen infraroten Wellenlängenbereich. Die Farbstoffemission wird durch diese Art der Anregung jedoch nicht beeinflußt, d. h. das Emissionsspektrum erfährt bei der Mehrphotonen-Absorption einen negativen Stokesshift, besitzt also eine geringere Wellenlänge im Vergleich zur Anregungsstrahlung. Die Trennung der Anregungs- von der Emissionsstrahlung erfolgt in der gleichen Art und Weise wie bei der Einphotonen-Absorption. In addition to excitation of the dye molecules with a high-energy photon (single-photon absorption), excitation with several photons of lower energy is also possible ( Fig. 1b). The sum of the energies of the individual photons corresponds approximately to that of the high-energy photon. This type of excitation of the dyes is referred to as multiphoton absorption (lit .: Corle, Kino; "Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems"; Academic Press 1996). Fig. 1b shows an excitation by means of the simultaneous absorption of 2 photons in the near infrared wavelength range. However, the dye emission is not influenced by this type of excitation, ie the emission spectrum experiences a negative Stokes shift during multi-photon absorption, ie it has a shorter wavelength than the excitation radiation. The excitation radiation is separated from the emission radiation in the same way as for single-photon absorption.
Der Stand der Technik soll im folgenden beispielhaft anhand eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopes (LSM) erläutert werden (Abb. 2). The state of the art will be explained below using the example of a confocal laser scanning microscope (LSM) ( Fig. 2).
Ein LSM gliedert sich im wesentlichen in 4 Module: Lichtquelle L, Scanmodul S, Detektionseinheit DE und Mikroskop M. Diese Module werden im folgenden näher beschrieben. Es wird zusätzlich auf DE 197 02 753 A1, US 6167173 verwiesen. An LSM is essentially divided into 4 modules: light source L, scan module S, detection unit DE and microscope M. These modules are in following described in more detail. It will also be on DE 197 02 753 A1, US 6167173 referenced.
Zur spezifischen Anregung der verschiedenen Farbstoffe in einem Präparat werden in einem LSM Laser mit verschiedenen Wellenlängen eingesetzt. Die Wahl der Anregungswellenlänge richtet sich nach den Absorptionseigenschaften der zu untersuchenden Farbstoffe. Die Anregungsstrahlung wird im Lichtquellenmodul L erzeugt. Zum Einsatz kommen hierbei verschiedene Laser A-D (Argon, Argon Krypton, TiSa-Laser). Weiterhin erfolgt im Lichtquellenmodul L die Selektion der Wellenlängen und die Einstellung der Intensität der benötigten Anregungswellenlänge, z. B. durch den Einsatz eines akusto-optischen Modulators. Anschließend gelangt die Laserstrahlung über eine Faser oder eine geeignete Spiegelanordnung in das Scanmodul S. Die in der Lichtquelle L erzeugte Laserstrahlung wird mit Hilfe des Objektivs (2) beugungsbegrenzt über die Scanner, die Scan Lens und die Tubuslinse in das Präparat ((Probe 3) fokussiert. Der Fokus wird rasterförmig in x-y- Richtung über die Probe 3 bewegt. Die Pixelverweilzeiten beim Scannen über die Probe 3 liegen meist im Bereich von weniger als einer Mikrosekunde bis zu einigen Sekunden. For specific stimulation of the different dyes in a preparation, lasers with different wavelengths are used in an LSM. The choice of the excitation wavelength depends on the absorption properties of the dyes to be examined. The excitation radiation is generated in the light source module L. Different laser AD (argon, argon krypton, TiSa laser) are used. Furthermore, the selection of the wavelengths and the setting of the intensity of the required excitation wavelength, z. B. through the use of an acousto-optical modulator. The laser radiation then reaches the scan module S via a fiber or a suitable mirror arrangement. The laser radiation generated in the light source L is diffraction-limited by means of the objective ( 2 ) via the scanner, the scan lens and the tube lens ((sample 3 ) The focus is moved in a grid-like manner in the xy direction over the sample 3. The pixel dwell times when scanning over the sample 3 are usually in the range from less than a microsecond to a few seconds.
Bei einer konfokalen Detektion (descannte Detektion) des Fluoreszenzlichtes gelangt das Licht, das aus der Fokusebene (Probe 3) und aus den darüber- und darunterliegenden Ebenen emittiert wird, über die Scanner auf einen dichroitischen Strahlteiler (MDB). Dieser trennt das Fluoreszenzlicht vom Anregungslicht. Anschließend wird das Fluoreszenzlicht über dichroitische Strahlteiler DBS 1-3 und Pinholeoptiken auf eine Blende (konfokale Blende/Pinhole) (PH 1, 2, 3, 4) fokussiert, die sich genau in einer zur Fokusebene des Objektivs 2 konjugierten Ebene befindet. Dadurch werden Fluoreszenzlichtanteile außerhalb des Fokus unterdrückt. Durch Variieren der Blendengröße kann die optische Auflösung des Mikroskops eingestellt werden. Hinter der Blende befindet sich ein weiterer dichroitischer Blockfilter (EF1-4) der nochmals die Anregungsstrahlung unterdrückt. Nach Passieren des Blockfilters wird das Fluoreszenzlicht mittels eines Punktdetektors (PMT1-4) gemessen. In the case of confocal detection (descanned detection) of the fluorescent light, the light which is emitted from the focal plane (sample 3 ) and from the planes above and below it reaches a dichroic beam splitter (MDB) via the scanner. This separates the fluorescent light from the excitation light. The fluorescent light is then focused via dichroic beam splitters DBS 1-3 and pinhole optics onto a diaphragm (confocal diaphragm / pinhole) (PH 1, 2, 3, 4) which is located exactly in a plane conjugate to the focal plane of the objective 2 . This suppresses fluorescent light components outside of the focus. The optical resolution of the microscope can be adjusted by varying the aperture size. Another dichroic block filter (EF1-4) is located behind the aperture, which again suppresses the excitation radiation. After passing the block filter, the fluorescent light is measured using a point detector (PMT1-4).
Bei Verwendung einer Mehrphotonen-Absorption erfolgt die Anregung der Farbstofffluoreszenz in einem kleinen Volumen in dem die Anregungsintensität besonders hoch ist. Dieser Bereich ist nur unwesentlich größer als der detektierte Bereich bei Verwendung einer konfokalen Anordnung. Der Einsatz einer konfokalen Blende kann somit entfallen und die Detektion über T-PMT, PMT 5 kann in Detektionsrichtung direkt nach dem Objektiv oder auf der dem Objektiv abgewandten Seite erfolgen (non descannte Detektion). When using a multiphoton absorption, the excitation occurs Dye fluorescence in a small volume in which the Excitation intensity is particularly high. This area is insignificant larger than the detected area when using a confocal Arrangement. The use of a confocal aperture can thus be omitted and the Detection via T-PMT, PMT 5 can be done directly after the detection direction Lens or on the side facing away from the lens (non descanned detection).
In einer weiteren Anordnung zur Detektion (nicht dargestellt) einer durch Mehrphotonenabsorption angeregten Farbstofffluoreszenz erfolgt weiterhin eine descannte Detektion, jedoch wird diesmal die Pupille des Objektives von der Pinholeoptik PH in die Detektionseinheit abgebildet (nichtkonfokal descannte Detektion). In a further arrangement for detection (not shown) one by one Multi-photon absorption of excited dye fluorescence continues a descanned detection, but this time the pupil of the lens from the pinhole optics PH are imaged in the detection unit (non-confocal descanned detection).
Von einem dreidimensional ausgeleuchteten Bild wird durch die geschilderten Detektionsanordnungen in Verbindung mit der entsprechenden Einphotonen bzw. Mehrphotonen-Absorption nur die Ebene (optischer Schnitt) wiedergegeben, die mit der Fokusebene des Objektivs zusammenfällt. Durch die Aufzeichnung mehrerer optische Schnitte in der x-y Ebene in verschiedenen Tiefen z der Probe kann anschließend rechnergestützt ein dreidimensionales Bild der Probe generiert werden. From a three-dimensionally illuminated image is shown by the Detection arrangements in connection with the corresponding single photons or multi-photon absorption only the plane (optical section) reproduced, which coincides with the focal plane of the lens. By the recording of several optical sections in the x-y plane in different depths z of the sample can then be computer-aided three-dimensional image of the sample can be generated.
Das LSM ist somit zur Untersuchung von dicken Präparaten geeignet. Die Anregungswellenlängen werden durch den verwendeten Farbstoff mit seinen spezifischen Absorptionseigenschaften bestimmt. Auf die Emissionseigenschaften des Farbstoffes abgestimmte dichroitische Filter stellen sicher, daß nur das vom jeweiligen Farbstoff ausgesendete Fluoreszenzlicht vom Punktdetektor gemessen wird. The LSM is therefore suitable for examining thick specimens. The Excitation wavelengths are due to the dye used with its specific absorption properties determined. On the Dye emission properties matched dichroic filters ensure that only the fluorescent light emitted by the respective dye from Point detector is measured.
Statt eines Punktscanners werden nach dem Stand der Technik auch so genannte Linienscanner verwendet (Lit.: Corle, Kino; "Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems"; Academic Press 1996). Der prinzipielle Aufbau entspricht im wesentlichen dem eines LSM nach Abb. 2. Jedoch wird statt eines Punktfokus eine Linie in die Probe (3) abgebildet und die zu untersuchende Probe nur noch in einer Richtung (x oder y) gescannt. Die Erzeugung des Linienfokus erfolgt mit Hilfe mindestens einer in Abb. 2 gestrichelt dargestellten Zylinderlinse (ZL) im kollimierten Beleuchtungsstrahlengang in deren Brennweite sich eine Pupillenebene der Mikroskopanordnung befindet. Als konfokale Blende (PH) dient in einem solchen Aufbau eine Schlitzblende anstatt der Pinholes PH 1-4. Eine nichtdescannte Detektion bei Verwendung einer Mehrphotonen-Absorption kann auch mit dieser Anordnung erfolgen. Hierzu kann wiederum die konfokale Blende (PH) entfallen. Zur Detektion wird eine CCD-Kamera (nicht descannt) oder Zeile (descannt) mit 1024 oder mehr Bildpunkten anstatt des Punktdetektors (PMT) eingesetzt. Durch das Scannen einer Linie anstatt eines Punktes kann die Bildaufnahmerate erheblich vergrößert werden. Somit kann dieses Scanverfahren zur Beobachtung von schnell ablaufenden Prozessen in Echtzeit (Echtzeitmikroskopie) verwendet werden. Instead of a point scanner, so-called line scanners are also used according to the prior art (lit .: Corle, Kino; "Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems"; Academic Press 1996). The basic structure corresponds essentially to that of an LSM according to Fig. 2. However, instead of a point focus, a line is imaged in the sample ( 3 ) and the sample to be examined is only scanned in one direction (x or y). The line focus is generated with the aid of at least one cylindrical lens (ZL) shown in broken lines in FIG. 2 in the collimated illumination beam path, in the focal length of which there is a pupil plane of the microscope arrangement. In such a construction, a slit diaphragm instead of the pinholes PH 1-4 serves as the confocal diaphragm (PH). This arrangement can also be used for undescanned detection when using a multiphoton absorption. Again, the confocal aperture (PH) can be omitted. A CCD camera (not descanned) or line (descanned) with 1024 or more pixels is used for the detection instead of the point detector (PMT). By scanning a line instead of a point, the image acquisition rate can be increased considerably. This scanning method can therefore be used to observe fast-running processes in real time (real-time microscopy).
Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Tiefenauflösung durch die Schlitzblende um einen Faktor 1.4 schlechter ist im Vergleich zu punktscannenden Laser Scanning Mikroskopen. Dies kommt daher, dass die konfokale Schlitzblende nur Fluoreszenzlichtanteile außerhalb des konfokalen Schnittes senkrecht zur Scanlinie unterdrückt. Zusätzlich verschlechtert sich die laterale Auflösung. A disadvantage of this method is that the depth resolution by the Slit aperture is 1.4 times worse compared to point scanning laser scanning microscopes. This is because the confocal slit only fluorescent light components outside the confocal Cut perpendicular to the scan line suppressed. In addition, deteriorates the lateral resolution.
In einer weiteren Anordnung zur Echtzeitmikroskopie nach dem Stand der Technik wird das komplette zu untersuchende Feld mittels einer aufgeweiteten Lichtquelle beleuchtet. Jedoch werden nur spezielle Punktmuster des gesamten zu scannenden Feldes durch eine sich schnell drehende Scheibe freigegeben. Diese Verfahren werden in der Literatur meist als Nipkow-Disk Verfahren bezeichnet (Lit.: Corle, Kino; "Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems"; Academic Press 1996). In a further arrangement for real-time microscopy according to the prior art The entire field to be examined is examined using a technique flared light source illuminated. However, only special ones Dot pattern of the entire field to be scanned by a quickly rotating disc released. These procedures are mostly in the literature referred to as the Nipkow disk method (Lit .: Corle, Kino; "Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems "; Academic Press 1996).
In einem weiteren Verfahren nach dem Stand der Technik, der sogenannten strukturierten Beleuchtung (siehe Abb. 3), nutzt man die Modulationstiefe der optischen Abbildung einer Amplitudenstruktur (z. B. Gitter) als Kriterium für die Tiefenschärfe. Das Bild der periodischen Struktur zeichnet sich durch die Frequenz der Modulation und die Phasestellung (Bildphase) der Modulation aus. In a further method according to the state of the art, the so-called structured illumination (see Fig. 3), the modulation depth of the optical image of an amplitude structure (e.g. grating) is used as a criterion for the depth of field. The image of the periodic structure is characterized by the frequency of the modulation and the phase position (image phase) of the modulation.
Durch eine Phasenverschiebung der Struktur senkrecht zur optischen Achse können unterschiedliche Projektionsszenarien erhalten werden. By a phase shift of the structure perpendicular to the optical axis different projection scenarios can be obtained.
Um streifenfreie, tiefendiskriminierte optische Schnitte berechnen zu können,
werden im allgemeinen mindestens 3 Phasenbilder PB bei 0°, 120° und 240°
benötigt. Diese Phasenbilder (PB) werden anschließend zu einem
(konfokalen) optischen Schnittbild in einem Image Prozessor mit folgender
Formel verrechnet:
wobei I(x, Winkel) die Intensität am jeweiligen Pixel in dem entsprechenden
Phasenbild beschreibt.
In order to be able to calculate streak-free, depth-discriminated optical sections, at least 3 phase images PB at 0 °, 120 ° and 240 ° are generally required. These phase images (PB) are then calculated into a (confocal) optical sectional image in an image processor using the following formula:
where I (x, angle) describes the intensity at the respective pixel in the corresponding phase image.
Die Aufzeichnung der 3 oder mehr Phasenbilder erfolgt im einfachsten Falle sequentiell. Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Probe während der Messung der Bilder nicht bewegt. Die so aus den Phasenbildern berechneten Schnittbilder bzw. Schnittstapel können anschließend mittels 3-D Auswertesoftware auf einem Standard PC und Monitor dargestellt werden. The simplest case is to record the 3 or more phase images sequential. It is assumed that the sample is Measurement of the images not moving. The so calculated from the phase images Cross-sectional images or batches of cut can then be 3-D Evaluation software can be displayed on a standard PC and monitor.
Die Ortsauflösung entlang der optischen Achse hängt von der Wellenlänge des Lichtes, der numerischen Apertur des Objektivs und der Modulationsfrequenz ab. The spatial resolution along the optical axis depends on the wavelength of light, the numerical aperture of the lens and the Modulation frequency from.
Für eine detaillierte Beschreibung des Berechnungsalgorithmus wird auf T. Wilson et al.; "Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope"; Optics Letters 22 (24) 1997 verwiesen. For a detailed description of the calculation algorithm, see T. Wilson et al .; "Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope "; Optics Letters 22 (24) 1997.
Nachteilig bei bisherigen Verfahren zur Echtzeitmikroskopie ist weiterhin, dass bei einer simultanen Untersuchung von mehreren Farbstoffen auch mehrere Detektionseinrichtungen vorzusehen sind. Dadurch erhöhen sich die Anforderungen an die Datenübertragung und die Kosten für ein solches Gerät. Deshalb werden heutzutage nur Mikroskope zur sequentiellen Bildgebung der verschiedenen Farbstofffluoreszenzen eingesetzt. In DE 198 29 981 A1 wird ein Verfahren beschrieben, die Anregungswellenlänge und/oder Intensität während des Scanvorgangs zu ändern. Another disadvantage of previous methods for real-time microscopy is that that with a simultaneous investigation of several dyes too several detection devices are to be provided. This increases the Data transmission requirements and the cost of such Device. That is why nowadays only microscopes become sequential Imaging of the different dye fluorescence used. In DE 198 29 981 A1 a method is described, the excitation wavelength and / or change intensity during the scanning process.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer neuen Methode mit der Präparate in Echtzeit und mit einer hohen optischen Auflösung abgebildet werden können. The object of the invention is to create a new method with Preparations are imaged in real time and with a high optical resolution can be.
Dies Aufgabe wird durch Anordnungen und Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. This task is accomplished through arrangements and procedures according to the independent claims solved.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Preferred developments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung ist zum Einsatz in Applikationen, die Mehrfachfluoreszenzen erfordern, besonders geeignet, da diese simultan und vorteilhaft auch mit vergleichbarer optischer Auflösung wie bei einen punktscannenden LSM, jedoch in Echtzeit aufgezeichnet werden können. The invention is for use in multiple fluorescence applications require, particularly suitable, since these simultaneously and advantageously also with optical resolution comparable to that of a point-scanning LSM, however, can be recorded in real time.
Die Methode kann in bildgebenden Mikroskopiersystemen eingesetzt werden wie Laser Scanning Mikroskopen zur dreidimensionalen Untersuchung von biologischen Präparaten mit einer optischen, räumlichen Auflösung bis zu 200 nm und in analytischen Mikroskopiersystemen wie beispielsweise Fluoreszenzkorrelationsspektrometern eingesetzt werden. The method can be used in imaging microscopy systems such as laser scanning microscopes for the three-dimensional examination of biological preparations with an optical, spatial resolution up to 200 nm and in analytical microscopy systems such as Fluorescence correlation spectrometers are used.
Weiterhin sind auf Fluoreszenzdetektion basierende Verfahren zum Screenen von Farbstoffen wie z. B. in sogenannten Chipreadern eingeschlossen, die sich von den Verfahren der Laser Scanning Mikroskopie vor allem durch ein deutlich größeres Bildfeld unterscheiden. Furthermore, screening methods are based on fluorescence detection of dyes such. B. included in so-called chip readers differ from the processes of laser scanning microscopy distinguish significantly larger image field.
Gegenstand des Verfahrens zur Erhöhung der räumlichen Detektionsauflösung, vorzugsweise bei einem in Echtzeit bildgebenden Verfahren, ist eine linienförmige Anregung und Detektion der von einer Probe reflektierten, gestreuten und/oder transmittierten Anregungsstrahlung und/oder angeregten Fluoreszenz. Hierzu wird mittels geeigneter und weiter unten näher beschriebener Optiken ein Linienfokus der Anregungsstrahlung in der Probe erzeugt. Abb. 4 zeigt ein mögliches Meßablaufschema. Auf der linken Seite ist ein Scanfeld mit dem Linienfokus dargestellt. Der Linienfokus kann mit geeigneten Hilfsmitteln (Scannerspiegel in einer Richtung) entlang des eingezeichneten Pfeiles verschoben werden. Die Erhöhung der axialen und lateralen optische Auflösung erfolgt durch eine Strukturierung des Linienfokus. Die Strukturierung erfolgt durch Überlagerung der Scanlinie mit einer periodischen Struktur, erzeugt beispielsweise durch ein Sinusgitter im Strahlengang. Bei einer kohärenten Beleuchtung kann eine Erzeugung der Struktur auch durch eine Interferenz von 2 kohärenten Teilstrahlen in der Probe erzeugt werden (Lit.: Wilson WO 98/45745). Es werden mindestens zwei Bilder mit unterschiedlicher Phasenlage der periodischen Struktur aufgenommen. Grundsätzlich kann der optische Schnitt auch durch die Aufnahme von Bildern mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz der Struktur erfolgen. The object of the method for increasing the spatial detection resolution, preferably in the case of a real-time imaging method, is a linear excitation and detection of the excitation radiation and / or excited fluorescence reflected, scattered and / or transmitted by a sample. For this purpose, a line focus of the excitation radiation is generated in the sample by means of suitable optics described in more detail below. Fig. 4 shows a possible measurement flow diagram. A scan field with the line focus is shown on the left. The line focus can be shifted along the arrow with suitable tools (scanner mirror in one direction). The axial and lateral optical resolution is increased by structuring the line focus. The structuring takes place by overlaying the scan line with a periodic structure, for example generated by a sine grating in the beam path. In the case of coherent illumination, the structure can also be generated by interference of 2 coherent partial beams in the sample (Lit .: Wilson WO 98/45745). At least two images with different phase positions of the periodic structure are recorded. In principle, the optical section can also be made by taking pictures with different modulation frequencies of the structure.
Die Beleuchtung der Probe kann mit räumlich und zeitlich kohärenter oder inkohärenter Beleuchtung erfolgen. Es kann beispielsweise auch eine räumlich kohärente Laserlichtquelle durch die Verwendung einer Streuscheibe oder durch die Aneinanderreihung mehrerer Einzelfoki in der Probe für eine inkohärente Beleuchtung verwendet werden. The sample illumination can be spatially and temporally coherent or incoherent lighting. For example, it can also be a spatially coherent laser light source by using a Diffuser or by lining up several individual foci in the Sample can be used for incoherent lighting.
Es werden vorteilhaft mindestens 2 Phasenbilder PB mit Bildphasen von z. B. 0° und 180° bei Verwendung einer Anregungswellenlänge zur Berechnung eines optischen Schnittbildes im Image Prozessor benötigt. There are advantageously at least 2 phase images PB with image phases of z. B. 0 ° and 180 ° when using an excitation wavelength for the calculation an optical cross-section in the image processor is required.
Bei n Anregungswellenlängen sind n + 1 Phasenbilder nötig. With n excitation wavelengths n + 1 phase images are necessary.
Für eine Anregungswellenlänge hat das von der Probe emittierte Signal
entlang einer Scanlinie folgende Gestalt:
ISig(x) = C(x).cos(k.x) + B(x)
wobei C(x) die eigentliche Objektinformation (z. B. die Konzentration und der
Wirkungsquerschnitt des Farbstoffes oder der lokale Reflektionskoeffizient) an
der Position x innerhalb des konfokalen optischen Schnittes und entlang des
Linienfokus für die Anregungswellenlänge trägt und die gesuchte Größe
darstellt. B(x) trägt die Objektinformation von außerhalb des konfokalen
Bereichs. B(x) ist nicht moduliert, da die Struktur außerhalb des konfokalen
Bereiches nicht scharf abgebildet wird. k ist die inverse Modulationsfrequenz
der strukturierten Anregung. Die obige Gleichung besitzt 2 Unbekannte C(x)
und B(x). Zur Bestimmung von C(x) ist die Aufnahme von 2 Phasenbildern
nötig. Die Phasenbilder seien mit Ii(x), i = 0, 1, . . . n bezeichnet und durch eine
relative Phasenverschiebung der Modulation von i.Δφ (Bildphasen)
charakterisiert, wobei sich folgendes Gleichungssystem ergibt.
I0(x) = C(x).cos(k.x) + B(x)
I1(x) = C(x).cos(k.x + Δφ) + B(x)
For an excitation wavelength, the signal emitted by the sample along a scan line has the following form:
I Sig (x) = C (x) .cos (kx) + B (x)
where C (x) carries the actual object information (e.g. the concentration and cross section of the dye or the local reflection coefficient) at position x within the confocal optical section and along the line focus for the excitation wavelength and represents the size sought. B (x) carries the object information from outside the confocal area. B (x) is not modulated because the structure outside the confocal area is not sharply imaged. k is the inverse modulation frequency of the structured excitation. The above equation has 2 unknowns C (x) and B (x). To determine C (x) it is necessary to take two phase images. Let the phase images with I i (x), i = 0, 1,. , , designated n and characterized by a relative phase shift of the modulation of i.Δφ (image phases), resulting in the following system of equations.
I 0 (x) = C (x) .cos (kx) + B (x)
I 1 (x) = C (x) .cos (kx + Δφ) + B (x)
Die gesuchte Objektinformation ergibt sich durch Auflösen des
Gleichungssystems nach C wie folgt:
The object information we are looking for is obtained by solving the system of equations according to C as follows:
Analog kann zur Bestimmung von C(x) auch die Aufnahme von 2 Bildern mit
verschiedener Modulationsfrequenz k0 und k1 erfolgen. Die Frequenzbilder
seien wieder mit Ii(x), i = 0, 1, . . . n bezeichnet, wodurch sich folgendes
Gleichungssystem ergibt.
I0(x) = C(x).cos(k0.x) + B(x)
I1(x) = C(x).cos(k1.x) + B(x)
Analogously, the determination of C (x) can also be done by taking 2 pictures with different modulation frequencies k 0 and k 1 . The frequency images are again with I i (x), i = 0, 1,. , , n denotes, resulting in the following system of equations.
I 0 (x) = C (x) .cos (k 0 .x) + B (x)
I 1 (x) = C (x) .cos (k 1 .x) + B (x)
Die gesuchte Objektinformation ergibt sich durch Auflösen des
Gleichungssystems nach C wie folgt:
C(x) kann auch durch Aufnahme mindestens zweier Bilder mit verschiedener
Phase und Frequenz der Modulation gewonnen werden.
The object information we are looking for is obtained by solving the system of equations according to C as follows:
C (x) can also be obtained by taking at least two pictures with different phase and frequency of the modulation.
Aus diesen linienbezogenen Objektinformationen wird ein optischer Schnitt in mindestens einer Probenebene zusammengesetzt und kann wie im Stand der Technik zu mindestens einem Bild mindestens eines Bildstapels weiterverarbeitet werden. From this line-related object information an optical section in composed of at least one sample level and, as in the prior art Technique for at least one image of at least one image stack to be processed further.
Wenn nur eine Anregungswellenlänge benutzt wird und mindestens 3 Phasenbilder (z. B. mit relativer Phasenlage von 0°, 120° und 240°) aufgezeichnet werden, kann auch der beim Stand der Technik erläuterte Algorithmus zur Gewinnung der Objektinformation (Lit.: T. Wilson et al.; "Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope"; Optics Letters 22 (24) 1997) bei allen hier beschriebenen Anordnungen zur Anwendung gelangen. If only one excitation wavelength is used and at least 3 Phase images (e.g. with relative phase positions of 0 °, 120 ° and 240 °) can also be recorded, that explained in the prior art Algorithm for obtaining the object information (Lit .: T. Wilson et al .; "Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope "; Optics Letters 22 (24) 1997) in all here described arrangements apply.
Bei einer simultanen Anregung mit mehreren Wellenlängen erfolgt die anschließende Trennung der Signale der Probe durch eine spezielle Phasenkodierung oder Frequenzkodierung der Modulationsstruktur für die verschiedenen Anregungswellenlängen. Allgemein ergibt sich für n simultane Anregungswellenlängen die Anzahl der erforderlichen Phasenbilder zu n + 1. Dabei werden verschiedene Anregungswellenlängen durch eine definierte wellenlängenspezifische Lageverschiebung der Modulation (Kodierphase) und/oder eine jeweils charakteristische Modulationsfrequenz (Kodierfrequenz) voneinander getrennt. Das von der Probe emittierte Licht (z. B. Fluoreszenz), welches durch eine Wechselwirkung des Anregungslichts der jeweiligen Wellenlänge mit der Probe entsteht, besitzt dann die spezifische Kodierphase und/oder Kodierfrequenz in Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge und kann somit gemäß dem unten folgenden Algorithmus separiert werden. With simultaneous excitation with several wavelengths, the subsequent separation of the signals of the sample by a special one Phase coding or frequency coding of the modulation structure for the different excitation wavelengths. In general, for n there are simultaneous Excitation wavelengths the number of required phase images to n + 1. Different excitation wavelengths are defined by one wavelength-specific position shift of the modulation (coding phase) and / or a respective characteristic modulation frequency (Coding frequency) separated from each other. The light emitted by the sample (e.g. fluorescence), which is caused by an interaction of the excitation light of the respective wavelength with the sample then has the specific coding phase and / or coding frequency depending on the Excitation wavelength and can thus be according to the following Algorithm can be separated.
Wird also z. B. eine Probe, wie in Abb. 5 dargestellt, mit verschiedenen Farbstoffen (1, 2, 3) im Scanfeld gefärbt, die unterschiedliche Wellenlängen (L1, L2, L3) zur Anregung einer Fluoreszenz benötigen, so überträgt sich die Kodierfrequenz (f1, f2, f3) und/oder die Kodierphasen (φ1, φ2, φ3) der Anregungsscanlinie auf die detektierte Fluoreszenz in der jeweiligen Region (1, . . . n), siehe Abb. 6. So is z. B. a sample, as shown in Fig. 5, colored with different dyes (1, 2, 3) in the scan field, which require different wavelengths (L 1 , L 2 , L 3 ) to excite fluorescence, the coding frequency is transmitted (f 1 , f 2 , f 3 ) and / or the coding phases (φ 1 , φ 2 , φ 3 ) of the excitation scan line for the detected fluorescence in the respective region (1,.. n), see Fig. 6.
Im bevorzugten Fall besitzen alle Anregungswellenlängen die gleiche
Kodierfrequenz, d. h. eine Modulationsfrequenz aber verschiedene
Kodierphasen. Die folgende Diskussion sei auf diesen Fall mit
Phasenkodierung beschränkt, wobei eine Kodierung mittels der
Modulationsfrequenz analog zu behandeln und Gegenstand der Erfindung ist.
Für zwei Anregungswellenlängen hat das von der Probe emittierte Signal
entlang einer Scanlinie folgenden Gestalt:
ISig(x) = C1(x).cos(k.x + φ1) + B1(x) + C2(x).cos(k.x + φ2) + B2(x)
wobei C1(x) bzw. C2(x) die gesuchte Objektinformation (z. B. Konzentration
und Wirkungsquerschnitt des Farbstoffes) an der Position x innerhalb des
konfokalen optischen Schnittes und entlang des Linienfokus für die beiden
Anregungswellenlängen darstellen. B1(x) bzw. B2(x) trägt die
Objektinformation von außerhalb des konfokalen Bereichs. B1(x) bzw. B2(x)
sind nicht moduliert, da die Struktur außerhalb des konfokalen Bereiches nicht
scharf abgebildet wird. φ1 und φ2 sind die den jeweiligen
Anregungswellenlängen zugeordneten Kodierphasen und k ist die inverse
Modulationsfrequenz (die in diesem Beispiel für beide
Anregungswellenlängen gleich ist) der strukturierten Anregung. Die obige
Gleichung besitzt 4 Unbekannte C1(x), B1(x), C2(x) und B2(x).
In the preferred case, all excitation wavelengths have the same coding frequency, ie a modulation frequency but different coding phases. The following discussion is limited to this case with phase coding, with coding using the modulation frequency to be treated analogously and is the subject of the invention. For two excitation wavelengths, the signal emitted by the sample along a scan line has the following shape:
I Sig (x) = C 1 (x) .cos (kx + φ 1 ) + B 1 (x) + C 2 (x) .cos (kx + φ 2 ) + B 2 (x)
where C 1 (x) and C 2 (x) represent the object information (e.g. concentration and cross section of the dye) at position x within the confocal optical section and along the line focus for the two excitation wavelengths. B 1 (x) or B 2 (x) carries the object information from outside the confocal area. B 1 (x) and B 2 (x) are not modulated because the structure outside the confocal area is not sharply imaged. φ 1 and φ 2 are the coding phases assigned to the respective excitation wavelengths and k is the inverse modulation frequency (which in this example is the same for both excitation wavelengths) of the structured excitation. The above equation has 4 unknowns C 1 (x), B 1 (x), C 2 (x) and B 2 (x).
Zur Bestimmung von C1(x) und C2(x) ist die Aufnahme von 3 Phasenbildern
nötig. Die Phasenbilder seien mit Ii(x), i = 0, 1, . . . n bezeichnet und durch eine
relative Phasenverschiebung der Modulation von i.Δφ (Bildphasen)
charakterisiert, wobei sich folgendes Gleichungssystem ergibt:
I0(x) = C1(x).cos(k.x + φ1) + B1(x) + C2(x).cos(k.x + φ2) + B2(x)
I1(x) = C1(x).cos(k.x + φ1) + Δφ) + B1(x) + C2(x).cos(k.x + φ2 + Δφ) + B2(x)
I2(x) = C1(x).cos(k.x + φ1) + 2.Δφ) + B1(x) + C2(x).cos(k.x + φ2 + 2.Δφ) + B2(x)
To determine C1(x) and C2(x) is the recording of 3 phase images
necessary. The phase images are with Ii(x), i = 0, 1,. , , designated n and by a
relative phase shift of the modulation of i.Δφ (image phases)
characterized, resulting in the following system of equations:
I0(x) = C1(x) .cos (k.x + φ1) + B1(x) + C2(x) .cos (k.x + φ2) + B2(X)
I1(x) = C1(x) .cos (k.x + φ1) + Δφ) + B1(x) + C2(x) .cos (k.x + φ2 + Δφ) + B2(X)
I2(x) = C1(x) .cos (k.x + φ1) + 2.Δφ) + B1(x) + C2(x) .cos (k.x + φ2 + 2.Δφ) + B2(X)
Die gesuchte Objektinformation ergibt sich durch Auflösen des
Gleichungssystems nach C1 und C2 wie folgt:
C1(x) = [-c12(x).(I2(x) - I0(x)) + c22(x).(I1(x) - I0(x))]/det(x)
C2(x) = [c11(x).(I2(x) - I0(x)) - c21(x).(I1(x) - I0(x))]/det(x)
mit cij(x) = cos(k.x + φj + i.Δφ) - cos(k.x + φj)
und det(x) = c11(x).c22(x) - c12(x).c21(x). Die Gewinnung der Objektinformation
setzt somit die Kenntnis der Kodierphasen (φi) und der inversen
Modulationsfrequenz (k) für die einzelnen Anregungswellenlängen voraus.
Für die Lösung des Gleichungssystems und damit die Trennung der
Objektinformationen, die durch die jeweilige Anregungswellenlänge sichtbar
gemacht wurde, werden bei einer Zweifarbenanregung 3 Phasenbilder
benötigt, wobei die Bildphasenverschiebung (Δφ) zwischen den einzelnen
Bildern im einfachsten Falle 120° beträgt.
The object information we are looking for is obtained by solving the system of equations according to C 1 and C 2 as follows:
C 1 (x) = [-c 12 (x). (I 2 (x) - I 0 (x)) + c 22 (x). (I 1 (x) - I 0 (x))] / det (x)
C 2 (x) = [c 11 (x). (I 2 (x) - I 0 (x)) - c 21 (x). (I 1 (x) - I 0 (x))] / det ( x)
with c ij (x) = cos (kx + φ j + i.Δφ) - cos (kx + φ j )
and det (x) = c 11 (x) .c 22 (x) - c 12 (x) .c 21 (x). Obtaining the object information therefore requires knowledge of the coding phases (φ i ) and the inverse modulation frequency (k) for the individual excitation wavelengths. With a two-color excitation, three phase images are required to solve the system of equations and thus the separation of the object information, which has been made visible by the respective excitation wavelength, the image phase shift (Δφ) between the individual images being 120 ° in the simplest case.
Die Objektinformation von außerhalb des konfokalen Bereichs kann nur für
die Summe der Beiträge aller anregenden Wellenlängen gewonnen werden.
Im vorliegenden Beispiel ist dieser Hintergrund
B1(x) + B2(x) = I0(x) - C1(x).cos(k.x + φ1) - C2(x).cos(k.x + φ2)
welcher bei Kenntnis von C1 und C2 berechnet werden kann.
The object information from outside the confocal area can only be obtained for the sum of the contributions of all exciting wavelengths. In the present example this is the background
B 1 (x) + B 2 (x) = I 0 (x) - C 1 (x) .cos (kx + φ 1 ) - C 2 (x) .cos (kx + φ 2 )
which can be calculated with knowledge of C 1 and C 2 .
Die Erweiterung auf 3 Anregungswellenlängen ergibt sich äquivalent aus der
Lösung des entsprechenden Gleichungssystems, wobei C3(x) bzw. B3(x) die
Objektinformation angeregt durch die dritte Wellenlänge von innerhalb bzw.
außerhalb des konfokalen Schnittes, darstellen soll. Die Objektinformationen
für die einzelnen Wellenlängen ergeben sich wie folgt:
C1= [(c12.c23 - c13.c22).(I3 - I0) + (c13.c32 - c12.c33).(I2 - I0) + (c22.c33 -c23.c32).(I1 - I0)]/det
C2 = [(c13.c21 - c11.c23).(I3 - I0) + (c11.c33 - c13.c31).(I2 - I0) + (c23.c31 - c21.c33).(I1 - I0)]/det
C3 = [(c11.c22 - c12.c21).(I3 - I0) + (c12.c31 - c11.c32).(I2 - I0) + (c21.c32 - c22.c31).(I1 - I0)]/det
mit φ3(x) als Kodierphase der Modulation bei der dritten
Anregungswellenlänge und
det(x) = c11.(c22.c33 - c23.c32) + c12.(c23.c31 - c21.c33) + c13.(c21.c32 - c22.c31).
The extension to 3 excitation wavelengths is equivalent to the solution of the corresponding system of equations, whereby C 3 (x) or B 3 (x) is intended to represent the object information excited by the third wavelength from inside or outside the confocal cut. The object information for the individual wavelengths is as follows:
C 1 = [(c 12 .c 23 - c 13 .c 22 ). (I 3 - I 0 ) + (c 13 .c 32 - c 12 .c 33 ). (I 2 - I 0 ) + (c 22 .c 33 -c 23 .c 32 ). (I 1 - I 0 )] / det
C 2 = [(c 13 .c 21 - c 11 .c 23 ). (I 3 - I 0 ) + (c 11 .c 33 - c 13 .c 31 ). (I 2 - I 0 ) + (c 23 .c 31 - c 21 .c 33 ). (I 1 - I 0 )] / det
C 3 = [(c 11 .c 22 - c 12 .c 21 ). (I 3 - I 0 ) + (c 12 .c 31 - c 11 .c 32 ). (I 2 - I 0 ) + (c 21 .c 32 - c 22 .c 31 ). (I 1 - I 0 )] / det
with φ 3 (x) as the coding phase of the modulation at the third excitation wavelength and
det (x) = c 11. (c 22 .c 33 - c 23 .c 32 ) + c 12. (c 23 .c 31 - c 21 .c 33 ) + c 13. (c 21 .c 32 - c 22 .c 31 ).
Bei einer 3 Farbenanregung ist die Aufnahme von 4 Phasenbildern zur
Trennung der Objektinformation, angeregt durch die einzelnen Wellenlängen,
notwendig. Die Bildphasenschrittweite kann beispielsweise 90 Grad betragen.
Da die Größen cij für eine Anordnung mit vorgegebenen Kodierphasen und
Kodierfrequenzen konstant sind, ist die Gewinnung der Objektinformation
durch Signalverarbeitung eine einfache Operation. Diese Operation läßt sich
durch Transformation der normierten Bildsignale ΔIi(x) = Ii(x) - I0(x) mittels als
Konstanten abgelegter Faktoren fk(x), die sich aus den cij(x) ergeben,
angeben. Für 3 Wellenlängen ergibt sich z. B. aus den obigen Gleichungen:
C1 = f1.ΔI3 + f2.ΔI2 + f3.ΔI1
C2 = f4.ΔI3 + f5.ΔI2 + f6.ΔI1.
C3 = f7.ΔI3 + f8.ΔI2 + f9.ΔI1
With 3-color excitation, 4 phase images must be recorded to separate the object information, stimulated by the individual wavelengths. The image phase step size can be 90 degrees, for example. Since the quantities c ij are constant for an arrangement with predetermined coding phases and coding frequencies, obtaining the object information by signal processing is a simple operation. This operation can be specified by transforming the normalized image signals ΔI i (x) = I i (x) - I 0 (x) by means of factors f k (x) stored as constants, which result from the c ij (x). For 3 wavelengths z. B. from the above equations:
C 1 = f 1 .ΔI 3 + f 2 .ΔI 2 + f 3 .ΔI 1
C 2 = f 4 .ΔI 3 + f 5 .ΔI 2 + f 6 .ΔI 1 .
C 3 = f 7 .ΔI 3 + f 8 .ΔI 2 + f 9 .ΔI 1
In Verallgemeinerung ist es für die simultane Anregung mit n Wellenlängen
erforderlich, n + 1 Bilder 10 bis k mit jeweils eigener Phase und/oder Frequenz
der Anregungsmodulation aufzunehmen. Bei Phasenbildern (Bildphase: φi)
mit Phasenkodierung der Anregungswellenlänge (φj) ergeben sich folgende
Bilder, die die mit der jeweiligen j-ten Wellenlänge angeregten
Bildinformationen vom pseudokonfokalen Schnitt (Cj) und vom Hintergrund
(Bj) enthalten.
In general, for simultaneous excitation with n wavelengths, it is necessary to record n + 1 images 10 to k, each with its own phase and / or frequency of the excitation modulation. In the case of phase images (image phase: φ i ) with phase coding of the excitation wavelength (φ j ), the following images result which contain the image information of the pseudo-confocal cut (C j ) and of the background (B j ) excited with the respective jth wavelength.
Das sich daraus ergebende Gleichungssystem der Form:
läßt sich mit bekannten mathematischen Methoden (z. B. laut Cramerscher
Regel) nach den gesuchten Bildinformationen von innerhalb des
pseudokonfokalen Schnitt, getrennt nach den einzelnen
Anregungswellenlängen, auflösen.
The resulting system of equations of form:
can be resolved using known mathematical methods (e.g. according to Cramer's rule) for the image information sought from within the pseudo-confocal section, separated according to the individual excitation wavelengths.
Ferner läßt sich damit die von allen Wellenlängen angeregte Bildinformation
von außerhalb des pseudokonfokalen Schnittes nach
bestimmen.
Furthermore, the image information excited by all wavelengths can be read from outside the pseudo-confocal section
determine.
Analoge Beziehungen gelten, wenn anstelle der Phase oder zusätzlich dazu die Frequenz zur Kodierung der verschiedenen Wellenlängen und/oder der Bilder verwendet wird. Die Koeffizienten cij sind dann geeignet zu modifizieren. Analogous relationships apply if, instead of or in addition to the phase, the frequency is used to encode the different wavelengths and / or the images. The coefficients c ij can then be modified appropriately.
Die Bestimmung der Koeffizienten cij kann mit dem im folgenden
beschriebenen Meßverfahren unabhängig davon, ob die Phase und/oder die
Modulationsfrequenz zur Bild- bzw. Wellenlängenkodierung eingesetzt
werden, erfolgen. Für eine Referenzwellenlänge (beispielsweise 488 nm) wird
im Sinne einer Eichung die Kodierfrequenz und die Kodierphase ermittelt
(z. B. mittels eines Testobjektes wie einer Glasplatte oder eines Spiegels).
Hierzu wird die periodische Struktur auf das Testobjekt abgebildet, mit dem
Detektor vermessen und die Kodierfrequenz sowie die Kodierphase für eine
feste Bildphase am Ort der Probe vermessen und damit bestimmt. Die
Kodierphasen bzw. Kodierfrequenzen der anderen Wellenlängen können nun
relativ zu dieser Referenz wiederum für eine feste Bildphase vermessen
werden. In einer möglichen Anordnung wird die Phasenkodierung durch
Dispersion (Parallelversatz) in einer planparallelen Platte P, die zugleich den
Träger eines in Beleuchtungsrichtung davor angeordneten Amplitudengitters
(Struktur S) darstellt, realisiert, siehe Abb. 7A. Durch den Durchgang von
polychromatischen Anregungslicht durch die hier schwach um die Achse A
geneigte planparallele Platte P (Neigung: γ, Dicke: d) ergibt sich ein
geringfügiger, wellenlängenabhängiger Parallelversatz in der Ebene
senkrecht zur Drehachse und zur optischen Achse:
Δx(λ) = d.(sinγ - cosγ.tanβ(λ)) mit β(λ) = sin-1((sinγ)/n(λ)).
The coefficients c ij can be determined with the measuring method described below, regardless of whether the phase and / or the modulation frequency are used for image or wavelength coding. For a reference wavelength (for example 488 nm), the coding frequency and the coding phase are determined in the sense of a calibration (for example by means of a test object such as a glass plate or a mirror). For this purpose, the periodic structure is imaged on the test object, measured with the detector, and the coding frequency and the coding phase for a fixed image phase are measured at the location of the sample and thus determined. The coding phases or coding frequencies of the other wavelengths can now in turn be measured relative to this reference for a fixed image phase. In one possible arrangement, the phase coding is implemented by dispersion (parallel offset) in a plane-parallel plate P, which at the same time represents the carrier of an amplitude grating (structure S) arranged in front of it in the direction of illumination, see Fig. 7A. The passage of polychromatic excitation light through the plane-parallel plate P (inclination: γ, thickness: d), which is slightly inclined around axis A, results in a slight, wavelength-dependent parallel offset in the plane perpendicular to the axis of rotation and the optical axis:
Δx (λ) = d. (Sinγ - cosγ.tanβ (λ)) with β (λ) = sin -1 ((sinγ) / n (λ)).
Wenn sich die Platte in einer Zwischenbildebene (siehe Abb. 9A) der Mikroskopanordnung befindet, äußert sich dieser Versatz als Phasenverschiebung zwischen den Amplitudenmodulationen der einzelnen Anregungslinienfoki. Abb. 8 zeigt schematisch einen Linienfokus in einem Scanfeld, wobei die Phasenlagen der Amplitudenmodulation für beispielsweise 3 verschiedene Anregungswellenlängen im Diagramm auf der rechten Seite dargestellt sind. Die x-Achse des Diagramms entspricht der Koordinate entlang des Linienfokus. In der rechten Abbildung der Abb. 8 ist nur ein Ausschnitt der Scanlinie zur Verdeutlichung der Kodierphasen dargestellt. If the plate is in an intermediate image plane (see Fig. 9A) of the microscope arrangement, this offset manifests itself as a phase shift between the amplitude modulations of the individual excitation line foci. Fig. 8 shows schematically a line focus in a scan field, the phase positions of the amplitude modulation for, for example, 3 different excitation wavelengths being shown in the diagram on the right. The x-axis of the diagram corresponds to the coordinate along the line focus. In the illustration on the right in Fig. 8, only a section of the scan line is shown to clarify the coding phases.
Eine Phasenverschiebung von 5 Grad ist ausreichend zur sicheren Trennung der von der entsprechenden Wellenlänge angeregten Signale. Tabelle 1 gibt die Kodierphasen für ein konkretes Beispiel an. A phase shift of 5 degrees is sufficient for safe separation the signals excited by the corresponding wavelength. Table 1 gives the coding phases for a concrete example.
Tabelle 1Table 1
Phasenverschiebung für wichtige Laserlinien durch Dispersion in einer
10 mm dicken BK7 Platte mit einem Amplitudengitter von 50 Linien/mm. Die Platte ist
5 Grad gegen die Normalen geneigt, so daß sich für die Referenzwellenlänge von
488 nm ein Parallelversatz von ca. 300 µm gegenüber der optischen Achse ergibt.
Phase shift for important laser lines by dispersion in a 10 mm thick BK7 plate with an amplitude grating of 50 lines / mm. The plate is inclined 5 degrees to the normal, so that for the reference wavelength of 488 nm there is a parallel offset of approx. 300 µm with respect to the optical axis.
Eine Anordnung zur wellenlängenabhängigen Phasenverschiebung (Phasenkodierung) verwendet ein optisches Gitter, welches in einer Pupillenebene der Mikroskopanordnung- beispielsweise im Scanner eingesetzt wird. An arrangement for wavelength-dependent phase shift (Phase coding) uses an optical grating, which is in a Pupil level of the microscope arrangement - for example in the scanner is used.
Im folgenden werden vorteilhafte Anordnungen beispielhaft für Fluoreszenz und DIC-Bildgebung erläutert, ohne dass die Übertragbarkeit auf weitere optische Kontrastverfahren beschränkt wird. In the following, advantageous arrangements are exemplified for fluorescence and DIC imaging are explained without being transferable to others optical contrast method is limited.
Eine erste Anordnung ist in Abb. 9 gezeigt. Gestrichelt eingezeichnet ist der Pupillenstrahlengang der Mikroskopanordnung. Durchgezogene Linien stellen den Objektstrahlengang dar. In Abb. 9A (xy-Ebene) wird Licht der Lichtquelle (LQ) mit beispielsweise einer Zylinderlinse (ZL), in deren Brennweite sich eine Pupillenebene der Mikroskopanordnung befindet, zu einem Linienfokus in einer Zwischenbildebene (ZB) geformt. In einer Zwischenbildebene vor oder hinter der Zylinderlinse (dargestellt vor der Zylinderlinse) befindet sich ein Element (ST), das entlang der Scanlinie eine Amplitudenmodulation hervorruft. ST ist beispielsweise ein Transmissionsgitter. Wie in Fig. 7B/7D beispielhaft dargestellt, verläuft die Änderung der Periodizität senkrecht zur Richtung (Y) der als schwarze Striche schematisch dargestellten Gitterlinien in X-Richtung. Eine Verschiebung in dieser X-Richtung, beispielsweise mit der Positioniereinheit PE wie in den Abb. 9 dargestellt, ermöglicht eine Änderung der Phasenlage. Eine Verschiebung der Struktur nach Abb. 7D in Y-Richtung (Verschiebung nicht dargestellt) resultiert in einer Variation der Frequenz der Amplitudenmodulation zur Anpassung der optischen Schnittdicke (siehe Text weiter unten) oder zur Änderung der Modulationsfrequenz bei der Aufnahme der Einzelbilder zur Berechnung des optischen Schnittbildes. Eine Verkippung um einen Drehpunkt, der in der optischen Achse liegt und eine Drehachse in Y Richtung erzeugt ebenfalls diese Verschiebung. Eine Verdrehung des Gitters um eine Drehachse in Z- Richtung, die beispielsweise mit der optischen Achse übereinstimmt, erzeugt (s. a. Abb. 16) ebenfalls eine Phasenverschiebung, die bei Abbildung mehrerer räumlich getrennter Linien auf die Probe (Linienverlauf in X Richtung) unterschiedlich ausfällt. A first arrangement is shown in Fig. 9. The pupil beam path of the microscope arrangement is shown in dashed lines. Solid lines represent the object beam path. In FIG. 9A (xy plane), light from the light source (LQ) with, for example, a cylindrical lens (ZL), in the focal length of which there is a pupil plane of the microscope arrangement, becomes a line focus in an intermediate image plane (ZB) shaped. In an intermediate image plane in front of or behind the cylindrical lens (shown in front of the cylindrical lens) there is an element (ST) which causes amplitude modulation along the scan line. For example, ST is a transmission grating. As shown by way of example in FIGS. 7B / 7D, the change in the periodicity runs perpendicular to the direction (Y) of the grid lines shown schematically as black lines in the X direction. A shift in this X direction, for example with the positioning unit PE as shown in Fig. 9, enables a change in the phase position. A shift of the structure according to Fig. 7D in the Y direction (shift not shown) results in a variation in the frequency of the amplitude modulation to adjust the optical section thickness (see text below) or to change the modulation frequency when taking the individual images to calculate the optical sectional image. Tilting about a pivot point that lies in the optical axis and an axis of rotation in the Y direction also produces this displacement. A rotation of the grating about an axis of rotation in the Z direction, which for example coincides with the optical axis, also produces (see Fig. 16) a phase shift which turns out differently when several spatially separated lines are mapped onto the sample (line profile in the X direction).
Die strukturierte Scanlinie wird im folgenden über den Hauptstrahlteiler (MDB) und einen Scanner (y), der die Scanlinie senkrecht zur Linie bewegt (y- Koordinate) und sich wiederum in einer Pupille der Mikroskopanordnung befindet, durch die Scanoptik (SO), die Tubuslinse (TL) und das Objektiv (O) in die Probe (PR) abgebildet. Die Relayoptik (RL) bildet hierbei den Brennpunkt der Zylinderlinse (ZL) auf den Scanner (y) ab. Die Relayoptik kann in speziellen Anordnungen nach dem Stand der Technik auch weggelassen werden. Z. B. kann sie bei einer Verkürzung des Abstandes der beiden Scanner x und y oder beim Ersetzen der Scanner x und y durch einen kardanisch aufgehängten Einzelscanner entfallen. Die Zylinderlinse kann prinzipiell auch durch einen Zylinderspiegel ersetzt werden, dessen Brennpunkt auf dem Scanner (X) liegt. Der Zylinderspiegel wird unter 45° in der in Abb. 9C gezeichneten xz-Ebene angeordnet. In dieser Ebene besitzt der Spiegel auch seine fokussierende Wirkung. Weiterhin wird durch den Spiegel der Strahlweg zur Lichtquelle um 90° abgewinkelt. Dies ist in Abb. 9c schematisch dargestellt. In the following, the structured scan line is scanned by the main beam splitter (MDB) and a scanner (y), which moves the scan line perpendicular to the line (y coordinate) and is in turn in a pupil of the microscope arrangement, through the scan optics (SO), the tube lens (TL) and the lens (O) imaged in the sample (PR). The relay optics (RL) represent the focal point of the cylindrical lens (ZL) on the scanner (y). The relay optics can also be omitted in special arrangements according to the prior art. For example, it can be omitted if the distance between the two scanners x and y is shortened or if the scanners x and y are replaced by a gimbal-mounted individual scanner. In principle, the cylindrical lens can also be replaced by a cylindrical mirror whose focal point lies on the scanner (X). The cylinder mirror is arranged at 45 ° in the xz plane shown in Fig. 9C. At this level, the mirror also has its focusing effect. Furthermore, the beam path to the light source is angled through 90 ° through the mirror. This is shown schematically in Fig. 9c.
Das vom Objektiv (O) gesammelte Emissionslicht wird mit Hilfe beispielsweise des Hauptfarbteilers (MDB) vom Anregungslicht abgespalten. Im Anschluß wird das Licht der Probe mit Hilfe einer abbildenden Optik (PO) bei konfokaler Detektion durch eine Schlitzblende (SB) (Lage - Schlitz Längsrichtung in Z Richtung auf der Zeichnung) fokussiert, wodurch Fluoreszenz, die außerhalb des Fokus entstand, unterdrückt wird. Bei einer nichtdescannten Detektion kann die Blende entfallen. Hinter der Schlitzblende befindet sich ein Zeilen- oder Flächendetektor (DE) (Lage der Zeile in Z- Richtung) der ortsaufgelöst (entlang des Linienfokus) die Fluoreszenz detektiert. Zusätzlich kann ein Emissionsfilter (nicht dargestellt) zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung im Detektionsstrahlengang nach dem Hauptfarbteiler (MDB) angeordnet werden. Der Linienfokus wird mit dem Galvoscanner (y) in einer Raumrichtung abgerastert. Falls der x-Scanner nicht zur Einstellung der Bildphase verwendet wird, dann verbleibt er in seiner Nulllage. The emission light collected by the lens (O) is with the help For example, the main color splitter (MDB) is split off from the excitation light. The light of the sample is then measured using an imaging optics (PO) with confocal detection through a slit diaphragm (position - slit Longitudinal direction in the Z direction on the drawing) focused, whereby Fluorescence that is out of focus is suppressed. At a the aperture can be omitted for unscanned detection. Behind the slit diaphragm there is a line or area detector (DE) (position of the line in Z- Direction) the spatially resolved (along the line focus) the fluorescence detected. In addition, an emission filter (not shown) for Suppression of the excitation radiation in the detection beam path after the Main color dividers (MDB) can be arranged. The line focus is with the Galvo scanner (y) scanned in one spatial direction. If the x-scanner is not used to adjust the image phase, it remains in its Zero position.
Abb. 9B zeigt die gleiche Anordnung jedoch diesmal um 90 Grad gespiegelt (YZ-Ebene). Statt einer Linie auf der Probe ist in dieser Raumrichtung aufgrund der in dieser Richtung nicht wirkenden Zylinderlinse (ZL) ein Fokuspunkt auf der Probe zu sehen. Fig. 9B shows the same arrangement but this time mirrored by 90 degrees (YZ plane). Instead of a line on the sample, a focal point on the sample can be seen in this spatial direction due to the cylindrical lens (ZL) not acting in this direction.
Prinzipiell kann auch auf den Einsatz der Schlitzblende verzichtet werden. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Abbildung der Fluoreszenz nicht über die Scanner descannt wird sondern direkt auf eine CCD-Kamera oder eine gegatete Kamera zur ortsaufgelösten Messung der Fluoreszenzlebensdauer (LaVision, Picostar) erfolgen soll. Die CCD-Kamera betrachtet hierbei eine Zwischenbildebene ZB z. B. in der Zwischenbildebene zwischen TL und SO der Mikroskopanordnung. An einem Mikroskop nach dem Stand der Technik wird sie an einen TV-Port (Abb. 19 Lage TV-Port) angeschlossen. Zusätzlich kann eine CCD-Kamera im Transmissionsstrahlengang der Mikroskopanordnung (z. B. Abb. 1 statt T- PMT) eingesetzt werden. Dadurch kann die von die Probe transmittierte Anregungsstrahlung mit konfokaler Auflösung detektiert werden. Zusätzlich wird auch eine konfokale DIC-Abbildung möglich. Das DIC Prisma wird hierzu nach dem Stand der Technik in der Objektivpupille zwischen TL und Objektiv O angebracht. Das mit DIC so gewonnene Bild kann weiterhin mit den Bildern, die durch von der Probe reflektierte, gestreute und/oder emittierte Signale erzeugt wurden, in einem Bild überlagert dargestellt werden. Die Berechnung des konfokalen Schnittes erfolgt beispielsweise durch die Aufnahme von mindestens 2 Phasenbildern (siehe Abb. 4, oder im Text weiter oben). Die Beleuchtungsintensität der Linien in den mindestens 2 Phasenbildern variiert dazu in x-Richtung periodisch - beispielsweise sinusförmig - aufgrund der Struktur ST. Die relative Bildphase bei Verwendung von 3 strukturierten Linien ist um jeweils 120° Phasen verschoben. Die 3 Phasenbilder werden sequentiell erzeugt, d. h. es werden nacheinander 3 Bilder mit Hilfe des y-Galvoscanners (y) gescannt. Die Struktur (ST) kann beispielsweise ein Transmissionsgitter sein. Die Verschiebung der Bildphase kann beispielsweise mit einer Positioniereinheit (PE), an die das Transmissionsgitter gekoppelt ist, erfolgen, so dass jeder Ort der zu untersuchenden Probe mit variierender Helligkeit betrachtet werden kann. Die Einstellung der Bildphase kann weiterhin bei einer Wellenlänge mit Hilfe einer drehbar gelagerten Platte (PL) wie in Abb. 7A erfolgen, der die Struktur vorgeordnet/aufgeprägt ist. Die Platte ist hierzu in einer Zwischenbildebene der Mikroskopanordnung anzuordnen wie in Abb. 9 dargestellt. In principle, the slit diaphragm can also be dispensed with. This is particularly useful if the imaging of the fluorescence is not to be scanned via the scanner, but is to be carried out directly on a CCD camera or a gated camera for spatially resolved measurement of the fluorescence lifetime (LaVision, Picostar). The CCD camera looks at an intermediate image plane ZB, for example. B. in the intermediate image plane between TL and SO of the microscope arrangement. On a microscope according to the state of the art, it is connected to a TV port ( Fig. 19 TV port position). In addition, a CCD camera can be used in the transmission beam path of the microscope arrangement (e.g. Fig. 1 instead of T-PMT). As a result, the excitation radiation transmitted by the sample can be detected with confocal resolution. Confocal DIC mapping is also possible. For this purpose, the DIC prism is attached in the objective pupil between TL and objective O according to the prior art. The image thus obtained with DIC can also be displayed in an image superimposed on the images generated by signals reflected, scattered and / or emitted by the sample. The confocal cut is calculated, for example, by taking at least two phase images (see Fig. 4, or in the text above). The lighting intensity of the lines in the at least 2 phase images varies periodically in the x direction - for example sinusoidally - due to the structure ST. The relative image phase when using 3 structured lines is shifted by 120 ° phases. The 3 phase images are generated sequentially, ie 3 images are scanned in succession using the y-galvo scanner (y). The structure (ST) can be a transmission grating, for example. The image phase can be shifted, for example, with a positioning unit (PE) to which the transmission grating is coupled, so that each location of the sample to be examined can be viewed with varying brightness. The setting of the image phase can also be carried out at a wavelength with the help of a rotatably mounted plate (PL) as in Fig. 7A, which is upstream / embossed on the structure. For this purpose, the plate is to be arranged in an intermediate image plane of the microscope arrangement, as shown in Fig. 9.
Die hierbei verwendete planparallele Platte befindet sich in einer Zwischenbildebene, vorzugsweise wird die Struktur ST (dargestellt in Abb. 7B) direkt auf die Platte aufgebracht. The plane-parallel plate used here is located in an intermediate image plane, the structure ST (shown in FIG. 7B) is preferably applied directly to the plate.
In einer weiteren Anordnung kann die Einstellung der Bildphase auch mit Hilfe eines weiteren Galvoscanners (X) erfolgen. Der Scanner (X) verstellt hierbei die Bildphase, indem er die Scanlinie in x-Richtung verschiebt. Dies hat den Vorteil, dass durch das Zuschalten (Einschwenken oder Einschieben) der Zylinderlinse (ZL) und des Transmissionsgitters gekoppelt mit einer detektionsseitigen Strahlumlenkung zur Umschaltung von einem Punktdetektor auf einen Zeilendetektor (DE) zwischen einem punktscannenden LSM und einem linienscannenden LSM mit strukturierter Beleuchtung umgeschaltet werden kann. Falls der Scanner X nicht zur Einstellung der Bildphase verwendet wird, so verbleibt er in seiner Nullstellung (ist also stromlos geschaltet). In a further arrangement, the adjustment of the image phase can also be done with the help another galvo scanner (X). The scanner (X) adjusts here the image phase by moving the scan line in the x direction. This has the Advantage that by switching on (swiveling in or pushing in) the Cylinder lens (ZL) and the transmission grating coupled with a detection-side beam deflection for switching from one Point detector on a line detector (DE) between one point-scanning LSM and a line-scanning LSM with structured Lighting can be switched. If the scanner X is not Setting the image phase is used, it remains in its Zero position (is therefore de-energized).
Eine zweite Anordnung verwendet verschiedene Kodierphasen in Abhängigkeit von der verwendeten Anregungswellenlänge bei der Strukturierung der Scanlinie. Dadurch können die Signale der von den einzelnen Wellenlängen angeregten Fluoreszenz digital separiert werden. Abb. 10A zeigt einen möglichen schematischen Aufbau in der XZ-Ebene. Licht der Lichtquelle (LQ) der verschiedenen Wellenlängen erfährt mit Hilfe einer Struktur (ST) eine Amplitudenmodulation. Die Struktur befindet sich hierzu in einer Zwischenbildebene der Mikroskopanordnung. Die Struktur ist über eine Positioniereinheit (PE) verschiebbar angeordnet, so dass die Struktur entlang der Scanlinie verschoben und verschiedene Bildphasen eingestellt werden können. Anschließend wird das strukturierte Licht in einer Zylinderoptik (ZL) zu einer Linie in der Pupillenebene der Mikroskopanordnung geformt. Dazu wird die Zylinderlinse (ZL) im Abstand ihrer Brennweite von der Pupille (Scanner X) angeordnet. Die Einstellung der Bildphase kann weiterhin mit dem Scanner (X) erfolgen, der sich in einer Pupillenebene der Mikroskopanordnung befindet. A second arrangement uses different coding phases depending on the excitation wavelength used when structuring the scan line. As a result, the signals of the fluorescence excited by the individual wavelengths can be digitally separated. Fig. 10A shows a possible schematic structure in the XZ plane. Light from the light source (LQ) of the different wavelengths undergoes amplitude modulation with the aid of a structure (ST). For this purpose, the structure is located in an intermediate image plane of the microscope arrangement. The structure is displaceably arranged via a positioning unit (PE), so that the structure can be moved along the scan line and different image phases can be set. The structured light is then shaped in a cylinder optics (ZL) into a line in the pupil plane of the microscope arrangement. For this purpose, the cylindrical lens (ZL) is arranged at a distance of its focal length from the pupil (scanner X). The setting of the image phase can also be done with the scanner (X), which is located in a pupil plane of the microscope arrangement.
Abb. 10B zeigt eine vereinfachte Anordnung mit nur einem Scanner (Y) in der XZ-Ebene. Die Einstellung der Bildphase erfolgt hierbei durch die Positioniereinheit PE. Fig. 10B shows a simplified arrangement with only one scanner (Y) in the XZ plane. The setting of the image phase is done by the positioning unit PE.
Nachdem der Scanlinie eine Amplitudenmodulation aufgeprägt wurde, gelangt die Strahlung durch ein Element in dem die Struktur wellenlängenabhängig (ST) verschoben und damit die Kodierphase wellenlängenabhängig variiert wird. Eine mögliche Anordnung zur Phasenkodierung wurde bereits anhand von Abb. 7A beschrieben. Die hierbei verwendete planparallele Platte befindet sich in einer Zwischenbildebene, vorzugsweise wird die periodische Struktur ST (dargestellt unter anderem in Abb. 7B) direkt auf die Platte aufgebracht. After an amplitude modulation has been impressed on the scan line, the radiation passes through an element in which the structure is shifted depending on the wavelength (ST) and thus the coding phase is varied depending on the wavelength. A possible arrangement for phase coding has already been described with reference to Fig. 7A. The plane-parallel plate used here is located in an intermediate image plane, preferably the periodic structure ST (shown inter alia in FIG. 7B) is applied directly to the plate.
Im Anschluß an die Phasen- bzw. Frequenzkodierung der Amplitudenmodulation gelangt die Anregungsstrahlung über den Hauptfarbteiler (MDB), den Y-Scanner, die Scanoptik (SO), die Tubuslinse (TL) und das Objektiv (O) in die Probe (PR). Der Y-Scanner rastert die Scanlinie zur Aufnahme eines Phasenbildes in der y-Koordinate ab. In Abhängigkeit von den verwendeten Farbstoffen erfolgt die Fluoreszenzanregung mit den entsprechenden Wellenlängen. Die Modulationsfrequenz und Modulationsphase der Scanlinie in Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge überträgt sich auf diese Art auf das Fluoreszenzsignal. Bei einer descannten Detektion werden die Fluoreszenzen vom Objektiv gesammelt und gelangen über die Tubuslinse, Scanoptik und den Y-Scanner zum Hauptfarbteiler (MDB). Dieser trennt die Fluoreszenz von der Anregungsstrahlung. Im Anschluß wird die Fluoreszenz durch eine Schlitzblende auf einen Zeilendetektor (DE) abgebildet. Zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung können zusätzlich Blockfilter vor den Zeilendetektor geschalten werden. Die Schlitzblende kann insbesondere bei einer Mehrphotonenanregung entfallen. Die Trennung der einzelnen Signalanteile, die von den verschiedenen Wellenlängen generiert wurden, und die Berechnung der optischen Schnitte erfolgt anhand des oben beschriebenen Algorithmus beispielsweise unter Verwendung der Kodierphasen bei gleicher Modulationsfrequenz, wobei die Kodierphasen der einzelnen Wellenlängen mit Testobjekten wie Planspiegeln vorher bestimmt worden sind. Es können somit Regionen die mit verschiedenen Farbstoffen gefärbt wurden, getrennt sichtbar gemacht werden. Following the phase or frequency coding of the The excitation radiation passes through the amplitude modulation Main color splitter (MDB), the Y scanner, the scanning optics (SO), the tube lens (TL) and the lens (O) in the sample (PR). The Y scanner rasterizes the Scan line for recording a phase image in the y coordinate. In Depends on the dyes used Fluorescence excitation with the corresponding wavelengths. The Modulation frequency and modulation phase of the scan line depending of the excitation wavelength is thus transferred to the Fluorescent signal. In the case of a scanned detection, the fluorescence collected by the lens and get through the tube lens, scanning optics and the Y scanner to the main color splitter (MDB). This separates the fluorescence from the excitation radiation. The fluorescence is then switched off by a Slit diaphragm mapped onto a line detector (DE). For suppression the excitation radiation can additionally block filters in front of the line detector be switched. The slit diaphragm can be used in particular Multi-photon excitation is eliminated. The separation of the individual signal components, generated by the different wavelengths, and the The optical sections are calculated using the method described above Algorithm, for example, using the same coding phases Modulation frequency, the coding phases of the individual wavelengths with test objects such as plane mirrors have been determined beforehand. It can thus regions that were stained with different dyes are separated be made visible.
Eine weitere Anordnung verwendet ein dispersives Element (DG), z. B. ein Transmissionsgitter, das sich in einer Pupillenebene der Mikroskopanordnung befindet. Das Optikschema ist in Abb. 11 in der XZ-Ebene dargestellt. Das Transmissionsgitter verschiebt die einzelnen Scanlinien entsprechend ihrer Wellenlänge innerhalb der Zeichenebene (nur eine WL dargestellt). Dadurch wird den einzelnen Scanlinien entsprechend ihrer Wellenlänge eine unterschiedliche Phasenlage der Modulationsstruktur ST (Kodierphase) aufgeprägt. Die Verschiebung der Bildphase erfolgt mit Hilfe der Positioniereinheit (PE) und der Modulationsstruktur S für jede Wellenlänge mit einer identischen Schrittweite. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bildphasenverschiebung für jede Anregungswellenlänge beispielsweise bei einer Aufnahme von 3 Phasenbildern 120° beträgt. Another arrangement uses a dispersive element (DG), e.g. B. a transmission grating, which is located in a pupil plane of the microscope arrangement. The optics diagram is shown in Fig. 11 in the XZ plane. The transmission grating shifts the individual scan lines according to their wavelength within the drawing plane (only one WL shown). As a result, a different phase position of the modulation structure ST (coding phase) is impressed on the individual scan lines according to their wavelength. The image phase is shifted with the aid of the positioning unit (PE) and the modulation structure S for each wavelength with an identical step size. This ensures that the image phase shift for each excitation wavelength is 120 °, for example when taking three phase images.
Im folgenden wird auf vorteilhafte Anordnungen zur Erzeugung der Frequenzkodierung bzw. der Anpassung der optischen Auflösung näher eingegangen. In the following, advantageous arrangements for generating the Frequency coding or the adjustment of the optical resolution closer received.
Durch Verändern der Modulationsfrequenz für jede Anregungswellenlänge kann die effektive Pinholegröße, d. h. die optische Schnittdicke für die einzelnen Wellenlängen angepaßt werden. By changing the modulation frequency for each excitation wavelength the effective pinhole size, i.e. H. the optical section thickness for the individual wavelengths can be adjusted.
Abb. 7C zeigt schematisch eine Vorrichtung zur wellenlängenabhängigen Einstellung der Modulationsfrequenzen, die vorteilhaft in den Anordnungen 1 und 2 (wie zum Beispiel in Abb. 9) in eine Zwischenbildebene der Mikroskoskopeinrichtung anstelle der Struktur ST eingebaut wird. Dabei wird eine polychromatische Lichtquelle mit einem dispersiven Element (DG1) in seine spektralen Anteile räumlich aufgespalten. Im Anschluß werden die spektralen Anteile mit einer ersten Linse (Linse 1, Brennweite f) axparallel gemacht, d. h. DG1 steht im Brennpunkt der Linse. In der abbildungsseitigen Brennebene der Linse befindet sich die Struktur (ST) mit der die Amplitudenmodulation erfolgt. Eine mögliche Ausbildung der Struktur mit linearer Abhängigkeit der Frequenz in y-Richtung ist in Abb. 7D schematisch dargestellt. Fig. 7C schematically shows a device for wavelength-dependent adjustment of the modulation frequencies, which is advantageously installed in arrangements 1 and 2 (as for example in Fig. 9) in an intermediate image plane of the microscope device instead of the structure ST. A polychromatic light source with a dispersive element (DG1) is spatially split into its spectral components. The spectral components are then made axially parallel with a first lens (lens 1, focal length f), ie DG1 is at the focal point of the lens. The structure (ST) with which the amplitude modulation takes place is located in the imaging-side focal plane of the lens. A possible formation of the structure with a linear dependence of the frequency in the y direction is shown schematically in FIG. 7D.
Die gemäß 7C) erfolgte Aufspaltung in Linien L1, L2, L3 erzeugt auf dieser periodischen Struktur durch die unterschieldliche Lage der Linien in y- Richtung unterschiedliche Modulationsfrequenzen. The splitting into lines L1, L2, L3 according to FIG. 7C) produces on this periodic structure due to the different position of the lines in y- Direction of different modulation frequencies.
Erfolgt also eine von der Wellenlänge linear abhängige räumliche Aufspaltung der polychromatischen Lichtquelle, z. B. mit einem Transmissionsgitter, so ändern sich bei geeigneter Gitterauslegung auch die Modulationsfrequenzen der einzelnen spektralen Anteile in Abhängigkeit von der Wellenlänge Dadurch kann z. B. sichergestellt werden, daß die gleiche optische Schnittdicke bei verschiedenen Wellenlängen realisiert wird. Im Anschluß werden die einzelnen spektralen Anteile mit Hilfe einer zweiten Linse (Linse 2, Brennweite f, die nicht identisch der Brennweite der Linse 1 sein muß) und einem weiteren dispersiven Element (DG2, z. B. Transmissionsgitter, das nicht identisch DG1 sein muß) wieder räumlich überlagert. Durch die Anpassung der Brennweiten der Linsen 1 und 2 kann die Strahlaufweitung kontrolliert und damit die Ausleuchtung des Mikroskopobjektivs optimiert werden. So there is a spatial splitting linearly dependent on the wavelength the polychromatic light source, e.g. B. with a transmission grid, so With a suitable grid design, the modulation frequencies also change of the individual spectral components as a function of the wavelength This can, for. B. ensure that the same optical Cutting thickness is realized at different wavelengths. In connection the individual spectral components are measured using a second lens (lens 2, Focal length f, which need not be identical to the focal length of lens 1) and another dispersive element (DG2, e.g. transmission grating that does not must be identical to DG1) again spatially superimposed. By customization the focal lengths of lenses 1 and 2 can control and expand the beam so that the illumination of the microscope objective can be optimized.
Insgesamt ergeben sich mit einer solchen Struktur folgende vorteilhafte
Varianten der Erfindung:
- a) Durch eine Verschiebung in x-Richtung der Struktur ST kann für die einzelnen
Linien eine (nach vorheriger Kalibriermessung) definierte unterschiedliche
Phasenänderung erzeugt werden, wobei bei den unterschiedlichen
Phasenlagen jeweils eine vollständige Abtastung der Probe mittels der
jeweiligen Linie erfolgt und welllenlängenabhängige Schnittbilder berechnet
werden.
Die Schnittdicke kann durch definierte Verschiebung der Frequenz über Verschiebung in y-Richtung verändert werden. - b) Durch (mindenstens eine) Verschiebung in y-Richtung wird die
Modulationsfrequenz definiert verändert und dadurch können durch
mehrmaliges Abscannen bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für
die einzelnen Wellenlängen Schnittbilder berechnet werden.
Über die unterschiedlichen Modulationsfrequenzen der Struktur kann weiterhin eine Frequenzkodierung/Phasenkodierung für unterschiedliche Wellenlängen bei Abbildung aller Wellenlängen auf einer gemeinsamen Zeile erzeugt werden (siehe Anordnung 4).
- a) By shifting in the x-direction of the structure ST, a different phase change (based on a previous calibration measurement) can be generated for the individual lines, with a complete scanning of the sample by means of the respective line taking place in the different phase positions, and cross-sectional images dependent on the wavelength being calculated ,
The slice thickness can be changed by shifting the frequency by moving it in the y direction. - b) The (modulation frequency) is changed in a defined manner by (at least one) shift in the y direction, and thus sectional images can be calculated for the individual wavelengths by repeated scanning at different modulation frequencies.
Via the different modulation frequencies of the structure, frequency coding / phase coding for different wavelengths can also be generated when all wavelengths are mapped on a common line (see arrangement 4).
Statt der in Abb. 7D gezeigten Struktur mit kontinuierlicher Änderung der Modulationsfrequenz in y-Richtung kann eine Struktur (s. a. Abb. 16), die sich aus mehreren Teilstrukturen verschiedener Modulationsfrequenz zusammensetzt, verwendet werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Struktur nur für feste Anregungswellenlängen abgeglichen ist. Im einfachsten Falle können jedoch auch verschiedene Gitter ST mit jeweils verschiedener Modulationsfrequenz in die Anordnungen 1 und 2 eingeschwenkt werden. Instead of the structure shown in Fig. 7D with a continuous change in the modulation frequency in the y direction, a structure (see also Fig. 16) that is composed of several substructures of different modulation frequencies can be used. However, this has the disadvantage that the structure is only adjusted for fixed excitation wavelengths. In the simplest case, however, different gratings ST, each with a different modulation frequency, can be pivoted into the arrangements 1 and 2.
In einer weiteren nicht gezeigten Anordnung passiert die Strahlung nach der Strukturierung ein Element, in dem die Struktur wellenlängenabhängig vergrößert und damit die Modulationsfrequenz wellenlängenabhängig variiert, d. h. eine Frequenzkodierung durchgeführt wird. In einer ersten Anordnung wird die Scanlinie mittels dichroitischen Strahlteilern in ihre einzelnen Wellenlängenanteile zerlegt und im Anschluß in den Teilstrahlengängen eine wellenlängenabhängige Vergrößerung mit jeweils einem Teleskop mit Zoomoptik zur Einstellung der Vergrößerung aufgeprägt. Mit Hilfe weiterer Dichroiten werden die einzelnen Scanlinien wieder überlagert. Als Alternative können in einer weiteren Anordnung auch spezielle diffraktive Elemente, die eine wellenlängenabhängige Vergrößerung der Scanlinie generieren, verwendet werden. In a further arrangement, not shown, the radiation passes after Structuring an element in which the structure is wavelength dependent enlarged and thus the modulation frequency varies depending on the wavelength, d. H. frequency coding is carried out. In a first order the scan line is separated into its individual by means of dichroic beam splitters Wavelength portions decomposed and then one in the partial beam paths wavelength-dependent magnification with one telescope each Imprinted zoom optics to adjust the magnification. With the help of others The individual scan lines are again superimposed on dichroites. As alternative can in a further arrangement also special diffractive elements generate a wavelength-dependent enlargement of the scan line, be used.
Am Ausgang besitzt die Scanlinie in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge eine spezifische Kodierfrequenz der Amplitudenmodulation. Die Verschiebung der Bildphase erfolgt mit Hilfe der Positioniereinheit (PE) und der verschieblichen Struktur ST für jede Wellenlänge mit einer identischen Schrittweite. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bildphasenverschiebung für jede Anregungswellenlänge beispielsweise bei einer Aufnahme von 3 Phasenbildern 120° beträgt. Statt der Aufnahme von Phasenbildern kann der optische Schnitt auch aus 2 Bildern berechnet werden, bei denen die Modulationsfrequenz pro Anregungslinie in den beiden Bilder verschieden ist. Die Änderung der Modulationsfrequenz für alle oder eine Wellenlänge kann vorteilhaft durch die Aufnahme der beiden Bilder bei verschiedenen Stellungen in y-Richtung des Transmissionsgitters nach Abb. 7D erfolgen. Depending on the wavelength used, the scan line has a specific coding frequency of the amplitude modulation at the output. The image phase is shifted with the aid of the positioning unit (PE) and the displaceable structure ST for each wavelength with an identical step size. This ensures that the image phase shift for each excitation wavelength is 120 °, for example when taking three phase images. Instead of taking phase images, the optical section can also be calculated from two images in which the modulation frequency per excitation line is different in the two images. The modulation frequency can be changed for all or one wavelength by taking the two images at different positions in the y-direction of the transmission grating according to FIG. 7D.
Es kann durch die oben beschriebenen Anordnungen z. B. sichergestellt werden, dass die axiale optische Auflösung des Mikroskops für verschiedene Wellenlängen gleich ist. Dadurch werden sogenannte Kolokalisationsmessungen mit einem Linienscanner möglich. Zusätzlich kann z. B. bei sehr schwachen Fluoreszenzsignalen das effektive Pinhole durch Verschiebung der Struktur in Y-Richtung siehe Abb. 7D, hier nach unten, vergrößert werden. Dadurch verringert sich zwar die optische Auflösung, jedoch kann das Signal- zu Rauschverhältnis verbessert werden. It can z. B. ensure that the axial optical resolution of the microscope is the same for different wavelengths. This enables so-called colocalization measurements with a line scanner. In addition, e.g. For example, in the case of very weak fluorescence signals, the effective pinhole can be enlarged by moving the structure in the Y direction, see Fig. 7D, here downwards. Although this reduces the optical resolution, the signal to noise ratio can be improved.
Zusätzlich kann die oben beschriebene nicht dargestellte Zoomoptik dazu dienen, den chromatischen Längsfehler der abbildenden Optik zu kompensieren und damit sicher zu stellen, daß der optische Schnitt in der jeweils gleichen Objektebene erfolgt. Dazu wird jeweils eine Linse der einzelnen Zoomoptiken leicht in Abhängigkeit vom verwendeten Mikroskopobjektiv dejustiert, so dass der Strahl für die einzelnen Wellenlängen am Ausgang der Zoomoptik divergent oder konvergent auf die Objektivpupille trifft und dadurch der Fokus in Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge in axialer Richtung verschoben, d. h. für alle Anregungswellenlängen zur Deckung gebracht werden kann. In addition, the above-described zoom optics, which are not shown, can do this serve the chromatic longitudinal error of the imaging optics compensate and thus ensure that the optical cut in the the same object level takes place. For this purpose, one lens each individual zoom optics slightly depending on the used Microscope lens misaligned so that the beam for the individual Wavelengths at the output of the zoom optics divergent or convergent on the Lens pupil and thereby the focus depending on the Excitation wavelength shifted in the axial direction, d. H. for all Excitation wavelengths can be covered.
Zusätzlich zu Ausführung 1 und 2 kann ein weiteres dispersives Element (PR) der zusätzlichen spektralen Aufspaltung der Fluoreszenzsignale senkrecht zur Beleuchtungslinie dienen (multispektraler Linienscanner). Abb. 12 zeigt das Detektionsschema einer CCD Fläche des multispektralen Linienscanners in der XZ-Ebene. In der x-Richtung des Detektors (DE) werden die strukturierten Emissionssignale für die jeweiligen Wellenlängen abgebildet. In addition to versions 1 and 2, a further dispersive element (PR) can be used for the additional spectral splitting of the fluorescence signals perpendicular to the illumination line (multispectral line scanner). Fig. 12 shows the detection scheme of a CCD area of the multispectral line scanner in the XZ plane. The structured emission signals for the respective wavelengths are imaged in the x direction of the detector (DE).
Alternativ zur Verschiebung der Phasenlage mittels PE kann die Einstellung der Bildphase auch hier durch den X-Scanner erfolgen. As an alternative to shifting the phase position using PE, the setting can be made the image phase is also done here by the X scanner.
Für jede Scanstellung der Scanlinie erfolgt die Aufnahme eines Bildes wie dargestellt für unterschiedliche Wellenlängen der Detektion. Die frei programmierbare Ansteuerung ausgewählter Detektorelemente (Zeilen) und die Kombination von Detektorelementen einer Spalte der Detektormatrix erlaubt eine flexible Auswahl von Spektralbereichen der Fluoreszenz- Emission. Hierzu können mehrere Zeilen des Detektors, in die verschiedene Fluoreszenzsignale entsprechend ihrer Wellenlänge abgebildet werden, elektronisch zusammengeschalten werden. Die multispektrale Detektion der Fluoreszenzemission kann wiederum mit der strukturierten Beleuchtung kombiniert werden. Dazu wird die linienförmige Anregung zusätzlich z. B. mittels eines Transmissionsgitters (ST) strukturiert. Hierbei erfolgt ein kompletter Scanvorgang der Scanlinie unter Detektion jeweils der Wellenlängenverteilung entsprechend der Abbildung in Fig. 12 und weitere Scanvorgänge unter Änderung der Bildphase der Gitterstruktur. Da zur Ermittlung eines wellenlängenabhängigen Versatzes beispielsweise eine verwendete Planplatte PL definiert verkippt wurde, kann die Änderung der Phasenlage beispielsweise durch Verschiebung mit PE bei konstantem Kippwinkel erfolgen. Durch sequentielle Detektion von Bildern strukturierter Objekte mit unterschiedlichen Bildphasen der Anregung und nachfolgender Berechnung kann wieder der Tiefenkontrast optimiert werden. Abb. 12 zeigt die Kombination eines multispektralen Linienscanners (spektrale Aufspaltung erfolgt in der y-Ebene also in die Zeichenebene hinein) mit strukturierter Beleuchtung über die Struktur ST, wobei die Phasenkodierung wiederum mit einer verkippten und in senkrecht zur optischen Achse verschobenen planparallelen Platte (hier nicht dargestellt) oder mit einem dispersiven Element (siehe Text oben) erfolgt. Die Bildphase wird sequentiell variiert. Die unterschiedlichen spektralen Anteile werden parallel mittels CCD-Array detektiert. For each scan position of the scan line, an image is recorded as shown for different wavelengths of detection. The freely programmable control of selected detector elements (rows) and the combination of detector elements in one column of the detector matrix allows a flexible selection of spectral ranges of the fluorescence emission. For this purpose, several lines of the detector, in which different fluorescence signals are mapped according to their wavelength, can be electronically interconnected. The multispectral detection of the fluorescence emission can in turn be combined with the structured lighting. For this purpose, the linear excitation is also z. B. structured by means of a transmission grating (ST). Here, a complete scan of the scan line is carried out, each with the detection of the wavelength distribution corresponding to the illustration in FIG. 12, and further scans with a change in the image phase of the grating structure. Since, for example, a plane plate PL used was tilted in a defined manner to determine a wavelength-dependent offset, the phase position can be changed, for example, by shifting with PE at a constant tilt angle. The depth contrast can be optimized again by sequential detection of images of structured objects with different image phases of the excitation and subsequent calculation. Fig. 12 shows the combination of a multispectral line scanner (spectral splitting takes place in the y-plane into the drawing plane) with structured illumination via the structure ST, whereby the phase coding in turn with a tilted plane-parallel plate that is shifted perpendicular to the optical axis (here not shown) or with a dispersive element (see text above). The image phase is varied sequentially. The different spectral components are detected in parallel using a CCD array.
Die Schlitzblende (SB), die hier als Eintrittsspalt der spektralen Aufspaltung dient, kann bei descannter Detektion im Linienscanner entfallen. Dadurch verringert sich zwar die spektrale Auflösung, jedoch wird der technische Aufwand erheblich erleichtert, da sonst verschiebbare Einzelschlitzblenden verwendet werden müssen. The slit diaphragm (SB), used here as the entry slit of the spectral splitting serves, can be omitted in the case of a scanned detection in the line scanner. Thereby the spectral resolution decreases, but the technical one Effort considerably reduced, as otherwise slidable single slot covers must be used.
Abb. 13 zeigt schematisch den Aufbau der Elektronik zur Detektion der Signale mit einem Zeilendetektor. Signale des Detektors K1-N werden hierzu mit Hilfe jeweils eines Strom-Spannungs-Wandlers (A) verstärkt und anschließend während der Pixelverweilzeit aufintegriert (I). Nach einer weiteren Verstärkung zur Pegelanpassung an einen Analog-/Digital Wandler (ADC) werden diese im ADC in digitale Signale gewandelt und an einen Rechner (PC) übertragen. Die Detektion mit einer CCD Matrix ist aus der Literatur bekannt. Fig. 13 shows schematically the structure of the electronics for the detection of the signals with a line detector. To this end, signals from the detector K1-N are amplified with the aid of a current-voltage converter (A) and then integrated during the pixel dwell time (I). After further amplification for level adjustment to an analog / digital converter (ADC), these are converted into digital signals in the ADC and transmitted to a computer (PC). The detection with a CCD matrix is known from the literature.
Die Detektion der Streifenbilder kann auch quasi simultan geschehen, indem statt eine Linie parallel mehrere Linien (z. B. L1, L2, L3) in die Probe abgebildet werden, wobei die Intensitätsstruktur (Bildphase) beispielsweise analog Abb. 4 jeweils um z. B. 120° bei Verwendung von beispielsweise drei Linien verschoben ist (Abb. 14). Somit wird beim einmaligen Scannen der Probe bereits die gesamte Information zur Auswertung der Daten generiert. Abb. 15 zeigt schematisch den optischen Aufbau in der YZ-Ebene. Jeweils eingezeichnet sind die Fokuspunkte entlang der y-Achse der Linienfoki. Das Anregungslicht kann mit einer Strahlteileranordnung (T) aufgespalten werden. Zwei Ausführungsformen der Strahlteileranordnung (T) sind in Abb. 16A/B, hier der Zylinderlinse vorgeordnet, gezeigt. Die erste Anordnung im Zusammenwirken mit der Zylinderlinse erzeugt mehrere diskrete Linienfoki mit zwei parallel angeordneten Spiegeln, wobei der erste Spiegel ein Vollspiegel und der zweite Spiegel ein teildurchlässiger Spiegel ist. Die Transmission des teildurchlässigen Spiegels ist abgestimmt auf jeden Teilstrahl (i) und ergibt sich aus 100%/(n-i), wobei n die Gesamtzahl der Einzelfoki ist. Die Anteile (i) gelangen im Anschluß separat in eine spezielle Gitterstruktur (ST), die schematisch in Abb. 16A dargestellt ist. Die Teilgitter sind bei dieser Struktur definiert phasenversetzt moduliert. Anstatt der aus Teilgittern zusammengesetzten Struktur kann auch ein Transmissionsgitter nach Abb. 7B, wie in Abb. 16A dargestellt, verdreht verwendet werden, womit der Phasenversatz der Struktur für die einzelnen Scanlinien bei jeweils gleicher Modulationsfrequenz gezielt eingestellt werden kann. Die Eichung der Vorrichtung, d. h. die Bestimmung der Modulationsfrequenz und der Phasenlagen der Scanlinien erfolgt nach dem oben beschriebenen Verfahren. Die Struktur befindet sich in einer Zwischenbildebene der Mikroskopanordnung. Die Teileranordnung kann beispielsweise auch in einer Pupillenebene der Mikroskopanordnung eingesetzt werden. Hierbei werden beide Spiegel gegeneinander verkippt, so dass wiederum mehrere Linienfoki entstehen. The detection of the stripe images can also take place virtually simultaneously, in that instead of one line, several lines (for example L1, L2, L3) are imaged in the sample in parallel, the intensity structure (image phase), for example analogously to FIG . B. 120 ° when using three lines, for example ( Fig. 14). Thus, when the sample is scanned once, the entire information for evaluating the data is generated. Fig. 15 schematically shows the optical structure in the YZ plane. The focal points along the y-axis of the line focus are drawn in each case. The excitation light can be split using a beam splitter arrangement (T). Two embodiments of the beam splitter arrangement (T) are shown in Fig. 16A / B, here upstream of the cylindrical lens. The first arrangement in cooperation with the cylindrical lens produces several discrete line foci with two mirrors arranged in parallel, the first mirror being a full mirror and the second mirror being a partially transparent mirror. The transmission of the partially transparent mirror is matched to each partial beam (i) and results from 100% / (ni), where n is the total number of individual foci. The portions (i) then arrive separately in a special lattice structure (ST), which is shown schematically in Fig. 16A. With this structure, the partial gratings are modulated out of phase in a defined manner. Instead of the structure composed of partial gratings, a transmission grating according to Fig. 7B, as shown in Fig. 16A, can also be used in a twisted manner, with which the phase shift of the structure for the individual scan lines can be set specifically for the same modulation frequency. The device is calibrated, ie the modulation frequency and the phase positions of the scan lines are determined using the method described above. The structure is located in an intermediate image plane of the microscope arrangement. The divider arrangement can also be used, for example, in a pupil plane of the microscope arrangement. Here, both mirrors are tilted against each other, so that again several line foci arise.
Die zweite Anordnung in Abb. 16 (Abb. 16B) ist eine spezielle Anordnung zur Erzeugung eines Doppellinienfokus. Die Anordnung verwendet wiederum zwei parallel angeordnete Spiegel (SP1 und SP2), wobei ein Spiegel (SP1) die Struktur ST selbst trägt. Die Struktur ist reflektierend an den Stellen geringer Transmission. Die Struktur wird im Zwischenbild der Mikroskopanordnung angeordnet. Am Ausgang des Teilers entstehen 2 Linien, deren Amplitudenmodulation genau gegenphasig ist. Die Linie 1 trägt somit exakt eine gegenüber der Linie 2 um 180° verschobene Amplitudenmodulation. Die Struktur ist auf Glasplatte 1 aufgebracht. Bei Verwendung von mehreren Wellenlängen wird der wellenlängenabhängige Parallelversatz in y-Richtung durch die planparallele Glasplatte durch eine unter einem Winkel von 90° angeordnete 2te Glasplatte gleicher Dicke kompensiert. Zusätzlich kann die gesamte Teilereinheit (T) zur Erzeugung der oben beschriebenen Phasenkodierung leicht um die y-Achse verkippt werden. Eine Verschiebung der Struktur (ST) kann bei beiden Anordnungen entfallen. Die Scanbewegung des Y-Scanners erfolgt über das eigentliche zu untersuchende Bildfeld hinaus, so dass jeder zu untersuchende Punkt der Probe einmal mit jeweils einer Linie unterschiedlicher Phasenlage der Struktur beleuchtet wird. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft für die Untersuchung von sich schnell verändernden Proben, da sich Bewegungen oder schnelle Veränderungen in der Probe nicht mehr störend auf die Messung auswirken und die maximale Bildaufnahme-Geschwindigkeit des Linienscanners nicht durch die sequentielle Datenaufnahme reduziert wird. Die Detektion der parallel angeregten Linien erfolgt hierbei mit einem Matrixdetektor, im Falle von beispielsweise 3 Linien mit einem 3- Zeilendetektor. Alternativ kann auch ein Zeilendetektor zur Anwendung kommen, auf dem alle auf der Probe separierten Linien simultan detektiert werden. Die Separation der Information von jeder Linie kann durch den oben beschriebenen Algorithmus auf der Grundlage der verschiedenen Modulation (in Phase und/oder Frequenz) jeder Linie erfolgen. The second arrangement in Fig. 16 ( Fig. 16B) is a special arrangement for generating a double line focus. The arrangement in turn uses two mirrors (SP1 and SP2) arranged in parallel, one mirror (SP1) carrying the structure ST itself. The structure is reflective at the points of low transmission. The structure is arranged in the intermediate image of the microscope arrangement. At the output of the divider there are 2 lines, the amplitude modulation of which is exactly opposite in phase. Line 1 thus carries exactly one amplitude modulation shifted by 180 ° compared to line 2. The structure is applied to glass plate 1. If several wavelengths are used, the wavelength-dependent parallel offset in the y direction through the plane-parallel glass plate is compensated for by a second glass plate of the same thickness arranged at an angle of 90 °. In addition, the entire divider unit (T) can be easily tilted about the y-axis to generate the phase encoding described above. A shift of the structure (ST) can be omitted in both arrangements. The scanning movement of the Y scanner takes place beyond the actual image field to be examined, so that each point of the sample to be examined is illuminated once with a line of different phase position of the structure. This arrangement is particularly advantageous for the examination of rapidly changing samples, since movements or rapid changes in the sample no longer have a disruptive effect on the measurement and the maximum image recording speed of the line scanner is not reduced by the sequential data recording. The detection of the lines excited in parallel takes place here with a matrix detector, in the case of, for example, 3 lines with a 3-line detector. Alternatively, a line detector can also be used, on which all lines separated on the sample are detected simultaneously. The information from each line can be separated by the algorithm described above based on the different modulation (in phase and / or frequency) of each line.
In einer vierten Anordnung werden mehrere diskrete Anregungswellenlängen räumlich getrennt in verschiedene Scanlinien (z. B. bei 3 Laserlinien: L1, L2, L3 in x-Richtung) in die Probe abgebildet. Dazu werden durch ein dispersives Element (PR) (z. B. Transmissionsgitter, Gitterlinien in x-Richtung) mehrere parallele Anregungslinien unterschiedlicher Wellenlänge erzeugt (siehe Abb. 17), die mittels des y-Galvoscanners (y) und nachfolgender optischer Abbildung so über die Probe bewegt werden, dass jeder Punkt im interessanten Scanfeld mindestens einmal von jeder Linie gescannt wird. Der optische Aufbau ist in Abb. 18 schematisch in der YZ-Ebene gezeigt. Jeweils eingezeichnet sind die Strahlschwerpunkte der Linienfoki. In a fourth arrangement, several discrete excitation wavelengths are imaged spatially separated into different scan lines (e.g. with 3 laser lines: L1, L2, L3 in the x direction) in the sample. For this purpose, a parallel dispersive element (PR) (e.g. transmission grating, grating lines in the x-direction) generates several parallel excitation lines of different wavelengths (see Fig. 17), which are transferred using the y-galvo scanner (y) and the following optical image the sample is moved so that every point in the interesting scan field is scanned at least once by each line. The optical structure is shown schematically in Fig. 18 in the YZ plane. The focal points of the focus lines are shown.
Die Abspaltung der Fluoreszenzsignale von der Anregung erfolgt wiederum mit dem Hauptfarbteiler (MDB). Dabei gelangen die Fluoreszenzsignale, die durch die verschiedenen Anregungslinien erzeugt wurden, auf unterschiedliche Positionen L1-L3 in z-Richtung eines Matrixdetektors mit vorgeordneten Schlitzblenden in x-Richtung, wobei die Achse senkrecht zur Beleuchtungslinie der entsprechenden Wellenlänge der Fluoreszenz entspricht. Die Achse entlang der Beleuchtungslinie auf dem Matrixdetektor entspricht hierbei der Ortskoordinate. The fluorescence signals are split off from the excitation again with the main color divider (MDB). The fluorescence signals arrive generated by the different excitation lines different positions L1-L3 in the z direction of a matrix detector upstream slit diaphragms in the x direction, with the axis perpendicular to Illumination line of the corresponding wavelength of fluorescence equivalent. The axis along the illumination line on the matrix detector corresponds to the local coordinate.
Zusätzlich kann auch eine Phasen- bzw. Frequenzkodierung entsprechend den Anordnungen 1 und 2 erfolgen. Beispielsweise zur Phasenkodierung wird die Struktur (ST) um die Y-Achse verkippt. Eine Frequenzkodierung kann z. B. mit den in Abb. 7D gezeigten speziellen Struktur erfolgen. Die spektralen Anteile können bei Einsatz einer Phasen- bzw. Frequenzkodierung wiederum simultan mit einer Detektormatrix, die alle Scanlinien simultan erfaßt, detektiert werden. Dazu wird im einfachsten Falle eine CCD-Zeile mit rechteckigen Pixeln (oder zusammengeschalteten Zeilen) verwendet, wobei die längeren Seiten der Pixel vorteilhaft in Richtung z (siehe Abb. 18) ausgerichtet sind, so dass beispielsweise die Scanlinien L1 bis L3 gemeinsam mit der Detektorzeile detektiert werden. Die Trennung der Signale, die durch die verschiedenen Scanlinienfoki angeregt wurden, erfolgt dann wiederum nach dem oben beschriebenen Algorithmus. Der Vorteil dieser Anordnungen liegt darin, dass die einzelnen Scanlinien nicht mehr getrennt auf einem Detektorarray detektiert werden müssen, sondern mit einem eindimensionalen Detektor erfaßt werden können. In addition, phase or frequency coding can also be carried out in accordance with arrangements 1 and 2. For example, for phase coding, the structure (ST) is tilted about the Y axis. Frequency coding can e.g. B. with the special structure shown in Fig. 7D. When a phase or frequency coding is used, the spectral components can in turn be detected simultaneously with a detector matrix which detects all scan lines simultaneously. In the simplest case, a CCD line with rectangular pixels (or interconnected lines) is used for this, the longer sides of the pixels advantageously being oriented in the direction z (see FIG. 18), so that, for example, the scan lines L1 to L3 together with the detector line can be detected. The signals that were excited by the different scan line foci are then separated again using the algorithm described above. The advantage of these arrangements is that the individual scan lines no longer have to be detected separately on a detector array, but can instead be detected with a one-dimensional detector.
Zusätzlich kann ein weiteres dispersives Element der zusätzlichen spektralen Aufspaltung der Fluoreszenzsignale senkrecht zur Beleuchtungslinie dienen. Hierzu kann wiederum das in Abb. 12 gezeigte Detektionsschema des multispektralen Linienscanners eingesetzt werden. In einer Richtung des Detektors wird eine Ortskoordinate abgebildet. Die frei programmierbare Ansteuerung ausgewählter Detektorelemente (Zeilen) und die Kombination von Detektorelementen einer Spalte der Detektormatrix erlaubt eine flexible Auswahl von Spektralbereichen der Fluoreszenzemission. Hierzu können mehrere Zeilen des Detektors, in die verschiedene Fluoreszenzsignale entsprechend ihrer Wellenlänge abgebildet werden, elektronisch zusammen geschalten werden. Die multispektrale Detektion der Fluoreszenzemission kann wiederum mit der strukturierten Beleuchtung kombiniert werden. Dazu wird die linienförmige Anregung zusätzlich z. B. mittels eines Transmissionsgitters strukturiert. Durch sequentielle Detektion von Bildern strukturierter Objekte mit unterschiedlichen Bildphasen und nachfolgender Berechnung kann wieder der Tiefenkontrast optimiert werden. Abb. 18 zeigt die Kombination eines multispektralen Linienscanners mit strukturierter Beleuchtung. Die Bildphase wird mit verschiedenen Strukturen sequentiell variiert. Die unterschiedlichen spektralen Anteile werden beispielsweise parallel mittels CCD-Array detektiert. Als konfokale Schlitzblenden müssten nach dem Stand der Technik in dieser Anordnung mehrere zu den einzelnen Scanlinien konjugiert angeordnete und frei bewegliche Blenden verwendet werden, die jedoch durch die Strukturierung der Scanlinien entfallen können. Dadurch wird der technische Aufwand erheblich erleichtert. In addition, a further dispersive element can serve for the additional spectral splitting of the fluorescence signals perpendicular to the illumination line. The detection scheme of the multispectral line scanner shown in Fig. 12 can be used for this purpose. A spatial coordinate is imaged in one direction of the detector. The freely programmable control of selected detector elements (rows) and the combination of detector elements in one column of the detector matrix allows a flexible selection of spectral ranges of the fluorescence emission. For this purpose, several lines of the detector, in which different fluorescence signals are mapped according to their wavelength, can be electronically connected together. The multispectral detection of the fluorescence emission can in turn be combined with the structured lighting. For this purpose, the linear excitation is also z. B. structured by means of a transmission grid. The depth contrast can be optimized again by sequential detection of images of structured objects with different image phases and subsequent calculation. Fig. 18 shows the combination of a multispectral line scanner with structured lighting. The image phase is varied sequentially with different structures. The different spectral components are detected in parallel, for example, using a CCD array. According to the state of the art, a plurality of diaphragms arranged and conjugated to the individual scan lines and freely movable diaphragms would have to be used as confocal slit diaphragms, but these can be dispensed with by structuring the scan lines. This considerably simplifies the technical effort.
In einer fünften Anordnung erfolgt statt einer linienförmigen Anregung der Probe eine punktförmige Anregung der Probe. Dazu wird das Laser Scanning Mikroskop entsprechend Abb. 1 nach dem Stand der Technik betrieben. Jedoch wird eine Struktur (ST) entsprechend Abb. 19 in einer Zwischenbildebene verwendet, die in Probenrichtung nach den Scannern x und y angeordnet ist. Durch das Scannen in x- bzw. y-Richtung wird die Struktur sukzessive in die Probe abgebildet. Die Aufnahme der Phasenbilder erfolgt durch ein Verschieben der Struktur mit PE. Zusätzlich kann auch eine quasisimultane Beleuchtung nach Anordnung 3 und 4 erfolgen. Eine Phasenkodierung bzw. Frequenzkodierung mit den oben beschriebenen Anordnungen ist ohne Einschränkung übertragbar. Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber einem herkömmlichen Punktscanner ist, dass das Signal der Probe ohne descanning direkt mit einer CCD-Kamera gemessen werden kann. In diesem Falle wird auch auf die konfokale Blende verzichtet. Als CCD Kamera kann beispielsweise auch eine gegatete Kamera (Picostar, La Vision) verwendet werden. Dadurch können beispielsweise zeitaufgelöste Fluoreszenzaufnahmen von konfokalen optischen Schnitten erzielt werden. In a fifth arrangement, instead of a linear excitation of the sample, there is a point excitation of the sample. For this purpose, the laser scanning microscope according to Fig. 1 is operated according to the state of the art. However, a structure (ST) according to Fig. 19 is used in an intermediate image plane, which is arranged in the sample direction after the scanners x and y. The structure is successively imaged in the sample by scanning in the x or y direction. The phase images are recorded by moving the structure with PE. In addition, quasi-simultaneous lighting according to arrangement 3 and 4 can also take place. Phase coding or frequency coding with the arrangements described above can be transmitted without restriction. The advantage of this arrangement compared to a conventional point scanner is that the signal of the sample can be measured directly with a CCD camera without descanning. In this case, the confocal aperture is also dispensed with. For example, a gated camera (Picostar, La Vision) can also be used as the CCD camera. In this way, for example, time-resolved fluorescence recordings of confocal optical sections can be achieved.
Dies ist nach dem Stand der Technik nur durch den Einsatz nichtlinearer Probenwechselwirkungen möglich. According to the state of the art, this is only possible through the use of non-linear Sample interactions possible.
Es kann jedoch auch eine descannte punktförmige Detektion bzw. partiell descannte Detektion (Lit.: Stimson et al., Rev. Of Sc. Instr., (70), p3351, 1999) nach dem Stand der Technik erfolgen. However, it can also be a descanned point-shaped detection or partial Descanned detection (Lit .: Stimson et al., Rev. Of Sc. Instr., (70), p3351, 1999) according to the state of the art.
Durch die Phasenkodierung bzw. Frequenzkodierung können mit den beschriebenen Detektionsvarianten weiterhin die Signale der Probe, angeregt durch verschiedene Wellenlängen, simultan aufgezeichnet werden. Dabei ist nur ein Detektor notwendig. Durch die Anordnung kann somit der Aufbau eines Laser Scanning Mikroskops entscheidend vereinfacht werden ohne dass die Flexibiltät eingeschränkt wird. Durch das Einschalten der Struktur kann zwischen einem herkömmliches Laser Scanning Mikroskop und einem Laser Scanning Mikroskop mit struktierter Beleuchtung hin und her geschalten werden. By phase coding or frequency coding can with the described detection variants continue to stimulate the signals of the sample through different wavelengths, can be recorded simultaneously. It is only one detector required. Due to the arrangement, the structure of a laser scanning microscope can be significantly simplified without that flexibility is restricted. By turning on the structure can be between a conventional laser scanning microscope and a Laser scanning microscope with structured lighting back and forth be switched.
Eine Kombination der Verfahren 1-5 ist ebenfalls Teil der Erfindung. Weiterhin ist auch eine Kombination der oben beschriebenen Verfahren mit sogenannten parallel scannenden Verfahren nach dem Stand der Technik ohne Einschränkung möglich. Bei diesen Verfahren erfolgt eine Abbildung mehrerer Punkte oder Linien gleicher Intensität simultan als Matrix in die Probe (Lit.: Buist et al., J. o. Microscopy (192), p217, 1998/Nielsen et al., J. o. Microscopy (201), p852, 2000). Dadurch können die Bildaufnahmeraten nochmals gesteigert werden. Weiterhin kann die Probe mit einem Tischscanner oder einem Scanner nach dem Stand der Technik (z. B. Nipkow- Scheibe) abgebildet werden. A combination of methods 1-5 is also part of the invention. Farther is also a combination of the methods described above so-called parallel scanning methods according to the prior art possible without restriction. Mapping takes place with these methods of several points or lines of the same intensity simultaneously as a matrix in the Probe (Lit .: Buist et al., J. or Microscopy (192), p217, 1998 / Nielsen et al., J. o. Microscopy (201), p852, 2000). This allows the image capture rates be increased again. Furthermore, the sample can be used with a Table scanner or a scanner according to the state of the art (e.g. Nipkow- Disc).
Die beschriebenen vorteilhaften Anordnungen können zusätzlich auch zur Untersuchung von makroskopischen Proben vorteilhaft eingesetzt werden. Makroskopische Proben werden beispielsweise beim Screenen von Wirkstoffen auf einem Chip eingesetzt. Die Kantenlänge der Scanfelder betragen hierbei einige 10 mm. Diese Scanfelder können z. B. durch eine Vergrößerung der Scanwinkel der Galvoscanner durch eine Anordnung der Probe in einem Zwischenbild der Mikroskopanordnung Beispielhaft in Fig. 2 oder durch eine spezielle Objektivanordnung (Makroobjektiv), die das Zwischenbild vergrößert auf die Probe abbildet erzielt werden. The advantageous arrangements described can also be used advantageously for examining macroscopic samples. Macroscopic samples are used, for example, when screening active substances on a chip. The edge length of the scan fields is some 10 mm. These scan fields can e.g. B. by increasing the scanning angle of the galvo scanner by arranging the sample in an intermediate image of the microscope arrangement, for example in FIG. 2, or by a special lens arrangement (macro objective), which magnifies the intermediate image on the sample.
In Hell et al.; Journal of Microscopy, Vol. 202, Pt 3, June 2001, pp. 457-463 wird eine Anordnung zur Erhöhung des Fluoreszenzsignales bei einer 2 oder 3-Photonen Anregung um einen Faktor 1.5 bzw. 2.5 beschrieben. Hierzu erfolgt eine parallele Anregung der Probe in mehreren Foki, die räumlich im Multiplexverfahren beleuchtet werden, wobei die durch Interferenz erzeugten Beleuchtungsmuster räumlich über eine Periode verschoben werden und das Signal über diese Periode zeitlich gemittelt registriert wird. Zweck dieser Anordnung ist die Erhöhung des Fluoreszenzsignals bei einer Multiphotonen- Anregung. Einen Einfluß auf die räumliche Auflösung hat dieses Verfahren nicht, d. h. die optische Auflösung wird durch die nichtlineare Wechselwirkung in den einzelnen Probenpunkten nach dem oben erläuterten Stand der Technik erzielt. In Hell et al .; Journal of Microscopy, Vol. 202, Pt 3, June 2001, pp. 457-463 is an arrangement for increasing the fluorescence signal at a 2 or 3-photon excitation described by a factor of 1.5 or 2.5. For this there is a parallel excitation of the sample in several foci, which are spatially in the Multiplexing are illuminated, the generated by interference Lighting patterns are spatially shifted over a period and that Signal over this period is registered averaged over time. Purpose of this The arrangement is to increase the fluorescence signal in a multiphoton Stimulation. This method has an influence on the spatial resolution not D. H. the optical resolution is due to the nonlinear interaction in the individual sample points according to the status of the Technology achieved.
Erfindungsgemäß wird hier eine interferometrische Überlagerung mindestens zweier Teilstrahlen zur Umverteilung der mittleren Energie über das zu untersuchende Scanfeld verwendet. Durch die Umverteilung der mittleren Energie kommt es zu einer Erhöhung des Fluoreszenzsignals bei einer Multiphotonen-Anregung. Zusätzlich erzeugt die interferometrische Überlagerung der Teilstrahlen die bereits oben beschriebene Strukturierung der Scanlinie zur Erhöhung der optischen Auflösung. Bei gleichem Fluoreszenzsignal kann die mittlere Leistung pro Probenpunkt reduziert werden, so dass die zu untersuchende Probe weniger belastet wird. Zusätzlich können im Vergleich zum Stand der Technik bei gleicher Ausgangsleistung am Laser mehr Probenpunkte simultan untersucht oder bei gleicher Anzahl der Probenpunkte Laser mit geringerer Ausgangsleistung eingesetzt werden. According to the invention, an interferometric superposition is at least here two partial beams to redistribute the average energy over the examining scan field used. By redistributing the middle There is an increase in the fluorescence signal at energy Multiphoton excitation. In addition, the interferometric generated Superposition of the partial beams the structuring already described above the scan line to increase the optical resolution. With the same Fluorescence signal can reduce the average power per sample point so that the sample to be examined is less loaded. In addition, compared to the prior art, the same Output power on the laser examines more sample points simultaneously or at same number of sample points lasers with lower output power be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit zum Einsatz in Applikationen, die eine nichtlineare Probenwechselwirkung erfordern, besonders geeignet, da diese mit verringerter Anregungsintensität und damit verringerter Probenschädigung untersucht werden können. The method according to the invention is thus for use in applications which require a nonlinear sample interaction, particularly suitable because this with reduced excitation intensity and thus reduced Sample damage can be examined.
Das Prinzip des hier beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass ein
Laserstrahl mit Hilfe von Strahlteilern oder durch eine Pupillenteilung in
mindestens zwei Teilstrahlen gleicher Leistung aufgeteilt wird, wobei die
Wellenfronten der Teilstrahlen zueinander einen kleinen Winkel von
typischerweise weniger als 5° einnehmen. Anschließend werden die n-
Teilstrahlen in einem der Probe interferometrisch überlagert, wodurch sich in
Abhängigkeit von dem eingestellten Winkel ein periodisches Streifenmuster
ergibt. Die Intensität IM des Streifenmusters entlang der Koordinate x
(Anregung) kann im allgemeinen wie folgt beschrieben werden:
The principle of the method described here is that a laser beam is divided into at least two partial beams of the same power with the aid of beam splitters or by pupil division, the wave fronts of the partial beams taking up a small angle of typically less than 5 ° to one another. The n partial beams are then interferometrically superimposed in one of the samples, which results in a periodic stripe pattern as a function of the set angle. The intensity IM of the stripe pattern along the coordinate x (excitation) can generally be described as follows:
I0 ist hierbei die Gesamtintensität des Lasers auf der Probe, die zu gleichen Teilen auf die n Teilstrahlen aufgespalten ist. θi sind die Winkel und φi die Phasenbeziehungen zwischen den Teilstrahlen in Bezug auf einen willkürlich herausgegriffenen Teilstrahl. I 0 is the total intensity of the laser on the sample, which is split equally between the n partial beams. θ i are the angles and φ i are the phase relationships between the partial beams with respect to an arbitrarily selected partial beam.
Durch eine Phasenverschiebung (durch Änderung der Phasenbeziehungen φi) der Struktur senkrecht zur optischen Achse können unterschiedliche Projektionsszenarien der Struktur erhalten werden. Different projection scenarios of the structure can be obtained by a phase shift (by changing the phase relationships φ i ) of the structure perpendicular to the optical axis.
Die Modulationsfrequenz der strukturierten Beleuchtung wird durch die Winkel θi bestimmt. The modulation frequency of the structured lighting is determined by the angle θ i .
Abb. 20A zeigt zwei ebene Wellenfronten in der X/Y Ebene - Teilstrahlen T1, T2 der Wellenlänge λ, die zur optischen Achse der Anordnung einen Winkel θ einschließen und miteinander interferieren. Fig. 20A shows two plane wavefronts in the X / Y plane - partial beams T1, T2 of wavelength λ, which enclose an angle θ with the optical axis of the arrangement and interfere with one another.
Durch Fokussierung in Y-Richtung, beispielsweise durch eine Zylinderlinse ZL in die Probenebene ergibt sich eine beugungsbegrenzte periodische linienförmige Intensitätsverteilung entlang X auf der Probe. Die linienförmige Intensitätsverteilung entlang X auf der Probe kann weiterhin durch diffraktive oder holographische Elemente nach dem Stand der Technik (Lit.: "Diffractive optics improve product design", Photonics Spectra, Laurin Publishing Co., Inc. September 1995) erfolgen. Weiterhin kann eine so genannte Powell Linse, wie sie in US 4,826,299 beschrieben ist, eingesetzt werden. Letzteres Element erzeugt im Vergleich zur Zylinderlinse eine homogenere Intensitätsverteilung entlang der Linse. Die Powell Linse und die diffraktiven bzw. holographischen Elemente werden hierzu beispielsweise in einer Pupillenebene der Mikroskopvorrichtung besonders vorteilhaft zwischen Lichtquelle und Scanner angeordnet. By focusing in the Y direction, for example through a cylindrical lens ZL in the sample plane results in a diffraction-limited periodic linear intensity distribution along X on the sample. The line-shaped Intensity distribution along X on the sample can continue due to diffractive or holographic elements according to the prior art (Lit .: "Diffractive optics improve product design ", Photonics Spectra, Laurin Publishing Co., Inc. September 1995). Furthermore, a so-called Powell lens, as described in US 4,826,299, are used. The latter Element produces a more homogeneous compared to the cylindrical lens Intensity distribution along the lens. The Powell lens and the diffractive or holographic elements are for example in a Pupil level of the microscope device is particularly advantageous between Light source and scanner arranged.
Für die allgemeine interferometrische Überlagerung von 2 Teilstrahlen
gleicher Intensität (mit der Gesamtintensität von 10) mit jeweils ebener
Wellenfront ergibt sich folgende Intensitätsmodulation senkrecht zur optischen
Achse:
Im(x) = I0.[1 + cos(k.sin(θ).x + φ)], wobei k ≍ 2π/λ (1)
ist. θ ist der Winkel zwischen den beiden Wellenfronten der beiden
Teilstrahlen. λ und φ sind die Wellenlänge der Teilstrahlen bzw. die
Phasenlage der Modulationsfrequenz p. Durch Veränderung des Winkels θ
kann die Periode der Modulation gezielt eingestellt werden und eine
Änderung der optischen Schnittdicke erfolgen (siehe weiter vorn). Weiterhin
ändert sich in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge die
Modulationsfrequenz und es kann die bereits beschriebene
Frequenzkodierung erfolgen. Die Phase der Modulationsfrequenz wird durch
die Phasenbeziehung φ zwischen den beiden Teilstrahlen bestimmt. Durch
Variation von φ entsprechend der vorangehenden Beschreibung können die
Bildphasen eingestellt und eine Phasenkodierung durchgeführt werden.
For the general interferometric superimposition of 2 partial beams of the same intensity (with a total intensity of 10), each with a flat wavefront, the following intensity modulation results perpendicular to the optical axis:
I m (x) = I 0. [1 + cos (k.sin (θ) .x + φ)], where k ≍ 2π / λ (1)
is. θ is the angle between the two wave fronts of the two partial beams. λ and φ are the wavelength of the partial beams and the phase position of the modulation frequency p. By changing the angle θ, the period of the modulation can be set in a targeted manner and the optical section thickness can be changed (see further above). Furthermore, the modulation frequency changes as a function of the wavelength used and the frequency coding already described can take place. The phase of the modulation frequency is determined by the phase relationship φ between the two partial beams. By varying φ in accordance with the above description, the image phases can be adjusted and phase coding can be carried out.
Die resultierende Intensitätsmodulation für eine lineare Probenwechselwirkung (1-Photonenwechselwirkung) ist in Abb. 20B (1) dargestellt. Im Diagramm aufgetragen ist die jeweilige Intensität entlang der Scanlinie (x-Koordinate), wobei I0 = 1 o. B. d. A. angenommen wurde. Die Modulation ist kosinusförmig mit der Periode p und pendelt zwischen 0 und 2 um die Symmetrieachse 1. The resulting intensity modulation for a linear sample interaction (1-photon interaction) is shown in Fig. 20B ( 1 ). The respective intensity is plotted in the diagram along the scan line (x coordinate), where I 0 = 1 or e.g. A. was adopted. The modulation is cosine with the period p and oscillates between 0 and 2 around the axis of symmetry 1 .
Im folgenden wird die Erhöhung der Signalausbeute bei einer nichtlinearen Probenwechselwirkung (Multiphotonenanregung, Erzeugung einer höheren Harmonischen) anhand der interferometrischen Überlagerung von 2 Teilstrahlen näher erläutert. The following is the increase in signal yield at a non-linear Sample interaction (multiphoton excitation, generation of a higher one Harmonics) based on the interferometric superposition of 2 Partial beams explained in more detail.
Findet eine nichtlineare Wechselwirkung mit der Probe statt, dann mißt ein
Detektor folgendes, aus der Wechselwirkung resultierendes Signal sN:
sN(x) = IM(x)N = [I0.[1 + cos(k.sin(θ).x + φ)]]N, (2)
wobei N die Ordnung der Nichtlinearität ist. Das sich aus dieser Gleichung
ergebende Signal sN entlang der Scanlinie ist in Abb. 20B (2) für eine
quadratische Probenwechselwirkung N = 2 (wie z. B. 2-Photonenanregung)
dargestellt, wobei I0 = 1 o. B. d. A. angenommen wurde. Die Modulation ist
weiterhin periodisch mit der Periode p. Jedoch ist die Modulation jetzt
asymmetrisch und pendelt zwischen 0 und 4, da cos2(x) asymmetrisch zu 1
ist. Diese Asymmetrie verstärkt sich für größere N.
If there is a non-linear interaction with the sample, a detector measures the following signal s N resulting from the interaction:
s N (x) = I M (x) N = [I 0. [1 + cos (k.sin (θ) .x + φ)]] N , (2)
where N is the order of the non-linearity. The signal s N resulting from this equation along the scan line is shown in Fig. 20B ( 2 ) for a quadratic sample interaction N = 2 (such as 2-photon excitation), where I 0 = 1 or e.g. A. was adopted. The modulation is still periodic with period p. However, the modulation is now asymmetrical and oscillates between 0 and 4 because cos 2 (x) is asymmetrical to 1. This asymmetry increases for larger N.
Das pro Periode der Intensitätsmodulation generierte Signal SN erhält man
durch eine Integration des Signals sN(x) in x-Richtung:
The signal S N generated per period of the intensity modulation is obtained by integrating the signal s N (x) in the x direction:
Im Vergleich dazu ergibt sich für eine homogene Verteilung der Lichtintensität
I0 entlang der Scanlinie in Richtung x folgende Probenwechselwirkung:
In comparison, the following sample interaction results for a homogeneous distribution of the light intensity I 0 along the scan line in direction x:
Abb. 21 zeigt noch einmal allgemein die Probenwechselwirkung bei Verwendung einer strukturierten Scanlinie im Vergleich zu einer homogenen Scanlinie, wobei jeweils die Intensitäten in beiden Linien gleich sind. Dargestellt ist das Verhältnis SN/FN in Abhängigkeit von der Ordnung der Nichtlinearität N. Man erkennt, dass für N > 1, d. h. für eine nichtlineare Probenwechselwirkung, das Verhältnis größer als 1 wird. Dies bedeutet, dass bei konstanter mittlerer Anregungsintensität I0 die Effizienz der Probenwechselwirkung durch die Verwendung einer modulierten Linie im Vergleich zu einer homogenen Scanlinie steigt. Im Falle einer 2 Photonenwechselwirkung ist die Effizienz beispielsweise um den Faktor 1.5 größer. Fig. 21 shows the sample interaction again in general when using a structured scan line compared to a homogeneous scan line, the intensities being the same in both lines. The ratio S N / F N is shown as a function of the order of the non-linearity N. It can be seen that for N> 1, ie for a non-linear sample interaction, the ratio becomes greater than 1. This means that with a constant mean excitation intensity I 0, the efficiency of the sample interaction increases by using a modulated line compared to a homogeneous scan line. In the case of a 2 photon interaction, the efficiency is greater by a factor of 1.5, for example.
Abb. 22 zeigt schematisch verschiedene Aufbauten zur Erzeugung zweier Teilstrahlen. Jeweils eingezeichnet sind die Objektstrahlengänge. Unterschieden wird hierbei zwischen einer Erzeugung der Teilstrahlen durch eine Teilung der Mikroskoppupille (Teilbilder A. und B.) und durch den Einsatz von Strahlteilern (Teilbild C.). Die Aufspaltung in die 2 Teilstrahlen erfolgt in einer Pupillenebene des Mikroskops und in der xz-Ebene der Mikroskopanordnung, d. h. in der Ebene in der die Scanlinie erzeugt wird. Eine Teilung der Pupille ist insbesondere für den Einsatz von mehreren Wellenlängen über einen breiten Spektralbereich sinnvoll, da die Energieverteilung auf die beiden Teilstrahlen wellenlängenunabhängig ist. Nachteilig ist jedoch, wenn das Strahlprofil der Lichtquelle nicht homogen ist. Hierdurch kann es bei den Anordnungen A und B zu einer ungleichmäßigen Modulationstiefe entlang der Scanlinie kommen. Dies wird durch die Anordnung im Teilbild C vermieden. Jedoch steigen bei dieser Anordnung die Anforderungen an die Spektraleigenschaften des Strahlteilers. Generell ist eine Anpassung des Strahlprofils, z. B. durch den Einsatz von diffraktiven Elementen und eine Kombination mit Anordnungen nach Teilbild A, B oder C möglich. Fig. 22 shows schematically different structures for generating two partial beams. The object beam paths are shown in each case. A distinction is made between generating the partial beams by dividing the microscope pupil (partial images A. and B.) and using beam splitters (partial image C.). The splitting into the two partial beams takes place in a pupil plane of the microscope and in the xz plane of the microscope arrangement, ie in the plane in which the scan line is generated. A division of the pupil is particularly useful for the use of several wavelengths over a wide spectral range, since the energy distribution over the two partial beams is independent of the wavelength. However, it is disadvantageous if the beam profile of the light source is not homogeneous. This can result in an uneven modulation depth along the scan line in arrangements A and B. This is avoided by the arrangement in partial image C. However, the requirements for the spectral properties of the beam splitter increase with this arrangement. Generally, an adjustment of the beam profile, e.g. B. possible through the use of diffractive elements and a combination with arrangements according to drawing A, B or C.
Im Teilbild A wird Licht der Lichtquelle LQ, die ein kollimiertes Lichtbündel erzeugt, durch ein Fresnelsches Biprisma FBP gesendet. Die Zylinderlinse ZL befindet sich nach FBP und wirkt in der Ebene senkrecht zur Zeichenebene und optischen Achse. ZL kann wie in Abb. 22D dargestellt auch vor FBP ohne Einschränkung angeordnet sein. Durch das Biprisma erfolgt die Aufspaltung des kollimierten Strahles der Lichtquelle in 2 Teilstrahlen gleicher Energie, die einen Winkel θ von typischerweise kleiner 5° einnehmen. Die beiden Teilstrahlen kreuzen sich in einem Zwischenbild ZB der Mikroskopanordnung. In der xy-Ebene befindet sich die durch Zylinderoptik ZL geformte Linie entlang der x-Richtung im Zwischenbild. Hier eingezeichnet ist beispielhaft eine Zylinderoptik ZL, die das Licht der Lichtquelle LQ in das Zwischenbild ZB fokussiert, d. h. die ZL steht genau im Abstand ihrer Brennweite vom Zwischenbild entfernt. Durch die nachfolgende Optik der Mikroskopanordnung (siehe Abb. 9, 10, 11, 12 und 23) gelangen die Teilstrahlen über die Scanner X und Y, die Scanoptik SO, die Tubuslinse TL und das Objektiv O in die Probe. In der Probe überlagern sich die beiden Teilstrahlen interferometrisch und bilden eine periodisch strukturierte Scanlinie entlang der x-Achse. Die Periode der Scanlinie ist abhängig von dem Neigungswinkel θ des FBP (siehe Abb. 22A) und der Wellenlänge von LQ. Durch eine Verdrehung von FBP um den Drehpunkt DP in Abb. 22A kann die Bildphase, d. h. φ gezielt eingestellt werden. Für eine detaillierte Beschreibung der Mikroskopanordnung und des Verfahrens zur Generierung der Phasenbilder und der Berechnung der Schnittbilder wird auf die bereits erfolgte Beschreibung verwiesen. Der Vorteil der Variante A. ist, dass durch ein Einschalten FBP und ZL in den Mikroskopischen Strahlengang ein punktscannendes Laser Scanning Mikroskop besonders vorteilhaft in ein in Echtzeit und parallel scannendes Mikroskop umkonfiguriert werden Weiterhin ist die Modulationsfrequenz stark von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes durch die prismatische Wirkung von FBP abhängig. Dies ist insbesondere für die Frequenzkodierung (siehe weiter oben) vorteilhaft. Jedoch ist die prismatische Wirkung von FBP für den Einsatz von Kurzpulslasern mit Pulslängen von kleiner 100 fs problematisch, da die einzelnen Spektralkomponenten der Laserpulse an verschiedene Orte der Probe abgebildet werden und es infolgedessen zu einer Verbreiterung der Pulse und damit zu einer Verringerung der Pulsspitzenleistung kommen kann. Abb. 22B zeigt daher eine weitere vorteilhafte Anordnung. Hierzu erfolgt die Aufspaltung mit einem reflektiven Element wie z. B. einem Dachkantenspiegel DKS. DKS ist so im Lichtquellenmodul (siehe Abb. 9, 10, 11, 12 und 23) angeordnet, dass sich die Teilstrahlen mit gleicher Energie in ZB in der xz- Ebene unter einem Winkel von θ kreuzen. ZL fokussiert wiederum die LQ in der yz-Ebene, so dass eine Linie in ZB geformt wird. Durch eine Veränderung des Winkels zwischen den beiden Spiegeln M1 und M2, z. B. durch ein Piezosteller oder eine Spindel, die gegen M2 oder M1 drückt, kann der Winkel θ zwischen den beiden Teilstrahlen und damit die Modulationsfrequenz gezielt eingestellt werden. Zusätzlich kann eine Einstellung der Bildphase φ durch eine Verdrehung von DKS um die eingezeichnete Drehachse DP erfolgen. Die Aufnahme und die Berechnung der optischen Schnitte geschieht wiederum analog zu dem bereits beschriebenen Verfahren. In partial image A, light from the light source LQ, which generates a collimated light beam, is transmitted through a Fresnel biprism FBP. The cylindrical lens ZL is located according to FBP and acts in the plane perpendicular to the plane of the drawing and the optical axis. ZL can also be arranged in front of FBP without restriction, as shown in Fig. 22D. The biprism splits the collimated beam from the light source into 2 partial beams of the same energy, which typically have an angle θ of less than 5 °. The two partial beams intersect in an intermediate image ZB of the microscope arrangement. In the xy plane, the line formed by cylinder optics ZL along the x direction is in the intermediate image. A cylinder optics ZL is shown here by way of example, which focuses the light from the light source LQ into the intermediate image ZB, ie the ZL is exactly at a distance from its focal length from the intermediate image. Due to the subsequent optics of the microscope arrangement (see Fig. 9, 10, 11, 12 and 23), the partial beams reach the sample via the X and Y scanners, the SO scanning optics, the TL tube lens and the O lens. In the sample, the two partial beams overlap interferometrically and form a periodically structured scan line along the x-axis. The period of the scan line depends on the inclination angle θ of the FBP (see Fig. 22A) and the wavelength of LQ. By rotating FBP around the pivot point DP in Fig. 22A, the image phase, ie φ, can be set in a targeted manner. For a detailed description of the microscope arrangement and the method for generating the phase images and the calculation of the sectional images, reference is made to the description already made. The advantage of variant A. is that by switching FBP and ZL into the microscopic beam path, a point-scanning laser scanning microscope can be reconfigured particularly advantageously into a microscope that scans in real time and in parallel. Furthermore, the modulation frequency is strongly dependent on the wavelength of the incident light due to the prismatic one Effect of FBP dependent. This is particularly advantageous for frequency coding (see above). However, the prismatic effect of FBP is problematic for the use of short-pulse lasers with pulse lengths of less than 100 fs, since the individual spectral components of the laser pulses are imaged at different locations on the sample and, as a result, the pulses can be broadened and thus the pulse peak power reduced , Fig. 22B therefore shows a further advantageous arrangement. For this purpose, the splitting takes place with a reflective element such as. B. a roof edge mirror DKS. DKS is arranged in the light source module (see Fig. 9, 10, 11, 12 and 23) so that the partial beams with the same energy cross in ZB in the xz plane at an angle of θ. ZL in turn focuses the LQ in the yz plane, so that a line is formed in ZB. By changing the angle between the two mirrors M1 and M2, e.g. B. by a piezo actuator or a spindle that presses against M2 or M1, the angle θ between the two partial beams and thus the modulation frequency can be set specifically. In addition, the image phase φ can be adjusted by rotating DKS around the axis of rotation DP shown. The recording and the calculation of the optical sections is again carried out analogously to the method already described.
In der Anordnung nach Teilbild C werden durch den Strahlteiler BS - ein teildurchlässiger Planspiegel, 2 Teilstrahlen mit gleicher Energie erzeugt. Dies ist beispielsweise in DE 199 04 592 A1 beschrieben worden, hier erfolgt jedoch vorteilhaft ein Zusammenwirken mit dem Element zur Formung der linienförmigen Intensitätsverteilung z. B. mittels Zylinderlinse ZL zur Erzeugung einer Scanlinie. In the arrangement according to drawing C, the beam splitter BS - a Partially transparent plane mirror, 2 partial beams with the same energy generated. This has been described, for example, in DE 199 04 592 A1, but is carried out here advantageously an interaction with the element for forming the linear intensity distribution z. B. by means of a cylindrical lens ZL Generation of a scan line.
Die Teilstrahlen gelangen im Anschluß über 2 Spiegel M1 und M2 in Richtung ZB, so dass sie sich genau in ZB in der xz-Ebene kreuzen. ZL fokussiert wiederum den Strahl in der yz-Ebene, so dass in ZB eine Linie entlang x entsteht. Durch eine Verdrehung von BS kann der Winkel θ eingestellt werden. Die Einstellung der Bildphase φ kann durch eine Verschiebung von M1 bzw. M2 oder durch eine gemeinsame Verschiebung von M1 und M2 bei konstantem Abstand erfolgen. Die Aufnahme und die Berechnung der optischen Schnitte geschieht wiederum analog zu obiger Beschreibung. The partial beams then enter via 2 mirrors M1 and M2 Direction ZB, so that they intersect exactly in ZB in the xz plane. ZL in turn focuses the beam in the yz plane, so that in ZB a line along x arises. By twisting BS, the angle θ can be set. The adjustment of the image phase φ can be done by a Shift of M1 or M2 or by a common shift of M1 and M2 at a constant distance. The recording and the The optical sections are again calculated analogously to the above Description.
Zur Gesamtanordnung eines Mikroskopes, insbesondere Laser-Scanning- Mikroskopes, mit den beschriebenen Anordnungen zur Interferenz von Teillichtstrahlen wird auf bereits beschriebene Anordnungen (z. B. Fig. 9, 19, 23) verwiesen, die ein Lichtquellenmodul entsprechend enthalten. For the overall arrangement of a microscope, in particular a laser scanning microscope, with the arrangements described for the interference of partial light beams, reference is made to arrangements already described (for example FIGS. 9, 19, 23) which accordingly contain a light source module.
Claims (134)
einer Probe erzeugten Beleuchtungslichtverteilung mindestens einer Wellenlänge über die Probe oder zumindest einen Teil der Probe und Detektion insbesondere des aufgrund von Wechselwirkung mit der Probe beeinflußten Lichtes, insbesondere Fluoreszenzlichtes und/oder reflektierten Lichtes und/oder Lumineszenzlichtes und/oder gestreuten und/oder transmittierten Lichtes
wobei das Beleuchtungslicht eine Modulation in zumindest einer Raumrichtung aufweist
und die scannende Bewegung und zur Scanbewegung zugeordnete Detektion zumindest bei einer ersten und einer zweiten unterschiedlichen Phasenlage der Modulation und/oder ersten oder zweiten Frequenz der Periodizität der Modulation erfolgt und mindestens ein optisches Schnittbild durch die Probe/den Probenteil berechnet wird. 1. Method for depth-resolved optical detection of a sample, with a scanning movement from an on or in
Illumination light distribution of at least one wavelength generated over a sample or at least a part of the sample and detection, in particular of the light influenced due to interaction with the sample, in particular fluorescent light and / or reflected light and / or luminescent light and / or scattered and / or transmitted light
wherein the illuminating light has a modulation in at least one spatial direction
and the scanning movement and the detection associated with the scanning movement take place at least in the case of a first and a second different phase position of the modulation and / or first or second frequency of the periodicity of the modulation and at least one optical sectional image is calculated through the sample / the sample part.
21. The method according to at least one of the preceding claims, wherein when calculating phase images (I j (x) with the image phase: φ i ) with phase coding of the excitation wavelength (φ j ) images are calculated which are characteristic of the respective jth wavelength Image information from the pseudo-confocal section (C j ) and from the background (B j ) contain:
optische Anordnung mit einer dispersiven Einheit die das Beleuchtungslicht in spektrale Bestandteile aufspaltet und wieder zusammenführt, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung der spektralen Anteile in eine Brennebene aufweist, wobei in oder in der Nähe der Brennebene eine periodische Struktur zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Beleuchtungslichtes vorgesehen ist
wobei die Struktur um die optische Achse verdrehbar ist, erfolgt. 41. The method according to at least one of the preceding claims, wherein a wavelength-dependent phase coding by a
Optical arrangement with a dispersive unit which splits the illuminating light into spectral components and brings it together again, which has an imaging optics for imaging the spectral components in a focal plane, a periodic structure for influencing the illuminating light depending on the wavelength being provided in or near the focal plane
the structure being rotatable about the optical axis.
Einer periodischen Struktur, deren Periode sich mindestens in einer Raumrichtung (Y) senkrecht zur Richtung der Periodizität (X) ändert, erfolgt. 43. The method according to at least one of the preceding claims, wherein a frequency coding of several wavelengths by means of an optical arrangement with a dispersive unit which splits the illumination light into spectral components and merges them again, which has imaging optics for imaging the spectral components in a focal plane, in or a periodic structure is provided in the vicinity of the focal plane for influencing the illuminating light as a function of the wavelength, with
A periodic structure, the period of which changes at least in a spatial direction (Y) perpendicular to the direction of the periodicity (X).
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur die als Strahlteiler wirkt. 55. The method according to claim 54, with the generation of several light distributions on the sample at one wavelength, in particular by
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror or
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure that acts as a beam splitter.
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einem dispersiven Element oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt. 56. The method according to claim 54, producing a plurality of light distributions on the sample at a plurality of wavelengths, in particular by
Splitting the lighting into several partial beams with a dispersive element or
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror or
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure that acts as a beam splitter.
Anordnung mit einem dispersiven Element, und einer periodische Struktur die um die optische Achse verdrehbar ist, wobei das dispersive Element vorzugsweise im Zwischenbild angeordnet ist
und/oder einer
Anordnung mit einem dispersiven Element und einer periodische Struktur aus mehreren Teilen unterschiedlicher Periodizität und das
dispersives Element vorzugsweise im Zwischenbild angeordnet ist und/oder Anordnung mit einem dispersiven Element wobei die periodische Struktur reflektierend ausgebildet ist und als Strahlteiler wirkt. 58. The method according to claim 57 at several wavelengths, in particular by means of one
Arrangement with a dispersive element and a periodic structure which can be rotated about the optical axis, the dispersive element preferably being arranged in the intermediate image
and / or one
Arrangement with a dispersive element and a periodic structure from several parts of different periodicity and that
dispersive element is preferably arranged in the intermediate image and / or arrangement with a dispersive element, the periodic structure being reflective and acting as a beam splitter.
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt, wobei die Struktur um die optische Achse verdrehbar ist oder mittels
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt,
wobei die Struktur aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. 59. The method of claim 57 at a wavelength, in particular by means of a
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror or
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflecting periodic structure, which acts as a beam splitter, the structure being rotatable or by means of the optical axis
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror or
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure that acts as a beam splitter,
the structure being composed of several parts.
Anordnung eines dispersiven Element und einer periodischen Struktur, deren Periode sich mindestens in einer Raumrichtung (Y) im wesentlichen senkrecht zur
Richtung der Periodizität (X) ändert
oder einer
Anordnung mit einem dispersiven. Element, wobei die periodische Struktur aus Teilen unterschiedlicher Periodizität besteht, wobei das dispersive Element vorzugsweise in einem Zwischenbild angeordnet ist. 61. The method according to claim 60 at several wavelengths, in particular by means of
Arrangement of a dispersive element and a periodic structure, the period of which is at least in one spatial direction (Y) substantially perpendicular to
Direction of periodicity (X) changes
or one
Arrangement with a dispersive. Element, wherein the periodic structure consists of parts of different periodicity, wherein the dispersive element is preferably arranged in an intermediate image.
mit einer periodischen Struktur, deren Periode sich mindestens in einer Raumrichtung (Y) im wesentlichen senkrecht zur
Richtung der Periodizität (X) ändert
oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteiler AO aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel
und einer reflektierenden periodischen Struktur,
wobei die periodische Struktur aus Teilen unterschiedlicher Periodizität besteht. 62. The method according to claim 60 at a wavelength, in particular by splitting the lighting into a plurality of partial beams with a beam splitter AO comprising at least one full mirror and a partially transparent mirror, or splitting the lighting into a plurality of partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure,
with a periodic structure, the period of which is at least in a spatial direction (Y) substantially perpendicular to the
Direction of periodicity (X) changes
or
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter AO from at least one full mirror and a partially transparent mirror or splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror
and a reflective periodic structure,
the periodic structure consists of parts of different periodicity.
Mittel zur Beleuchtung der Probe mit mindestens einer Wellenlänge
Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Probe und Beleuchtungslicht
Mittel zur Abbildung des von der Probe beeinflußten Lichtes auf mindestens einen Detektor
Mittel zur Abbildung einer zumindest eindimensional räumlich periodisch veränderlichen Struktur in unterschiedlichen Phasen und/oder Frequenzen der Periodizität auf die Probe
Mittel zur Berechnung mindestens eines optischen Schnittbildes aus der Ortsinformation des von der Probe beeinflußten Lichts 63. Arrangement for depth-resolved optical detection of a sample, in particular containing the light of an illuminating light distribution influenced by interaction with a sample, in particular fluorescent light and / or reflected light and / or luminescent light and / or containing scattered and / or transmitted light
Means for illuminating the sample with at least one wavelength
Means for generating a relative movement between the sample and the illuminating light
Means for imaging the light influenced by the sample on at least one detector
Means for imaging an at least one-dimensionally spatially periodically changing structure in different phases and / or frequencies of the periodicity on the sample
Means for calculating at least one optical sectional image from the location information of the light influenced by the sample
optischen Anordnung mit einer dispersiven Einheit die das Beleuchtungslicht in spektrale Bestandteile aufspaltet und wieder zusammenführt, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung der spektralen Anteile in eine Brennebene aufweist, wobei in oder in der Nähe der Brennebene eine periodische Struktur zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Beleuchtungslichtes vorgesehen ist
wobei die Struktur um die optische Achse verdrehbar ist 93. Arrangement for phase coding, with a
Optical arrangement with a dispersive unit which splits the illuminating light into spectral components and merges them again, which has imaging optics for imaging the spectral components in a focal plane, a periodic structure for influencing the illuminating light depending on the wavelength being provided in or near the focal plane
the structure being rotatable about the optical axis
Optischen Anordnung mit einer dispersiven Einheit die das Beleuchtungslicht in spektrale Bestandteile aufspaltet und wieder zusammenführt, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung der spektralen Anteile in eine Brennebene aufweist, wobei in oder in der Nähe der Brennebene eine periodische Struktur zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Beleuchtungslichtes vorgesehen ist, mit
einer periodischen Struktur, deren Periode sich mindestens in einer Raumrichtung (Y) senkrecht zur Richtung der Periodizität (X) ändert. 95. Arrangement according to one of the preceding claims for frequency coding of several wavelengths with one
Optical arrangement with a dispersive unit which splits the illuminating light into spectral components and merges them again, which has an imaging optics for imaging the spectral components in a focal plane, with a periodic structure for wavelength-dependent influencing of the illuminating light being provided in or near the focal plane
a periodic structure, the period of which changes at least in a spatial direction (Y) perpendicular to the direction of the periodicity (X).
optische Anordnung mit einer dispersiven Einheit die das Beleuchtungslicht in spektrale Bestandteile aufspaltet und wieder zusammenführt, die eine Abbildungsoptik zur Abbildung der spektralen Anteile in eine Brennebene aufweist, wobei in oder in der Nähe der Brennebene eine periodische Struktur zur wellenlängenabhängigen Beeinflussung des Beleuchtungslichtes vorgesehen ist, mit
einer aus mehreren Teilen unterschiedlicher Periodizität zusammengesetzten Struktur. 97. Arrangement according to one of the preceding claims for frequency coding of several wavelengths with one
Optical arrangement with a dispersive unit which splits the illuminating light into spectral components and merges them again, which has an imaging optics for imaging the spectral components in a focal plane, a periodic structure for wavelength-dependent influencing of the illuminating light being provided in or near the focal plane
a structure composed of several parts of different periodicity.
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel
und/oder Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt. 105. Arrangement according to one of the preceding claims for generating a plurality of light distributions on the sample and parallel recording of the individual images at a wavelength in particular below
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror
and / or splitting the lighting into a plurality of partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure which acts as a beam splitter.
bei mehreren Wellenlängen, insbesondere unter
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einem dispersiven Element und/oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt. 106. Arrangement according to one of the preceding claims for generating a plurality of light distributions on the sample and parallel recording of the individual images
at multiple wavelengths, especially below
Splitting the lighting into several partial beams with a dispersive element and / or
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure that acts as a beam splitter.
bei mehreren Wellenlängen insbesondere mit einer
Anordnung mit einem dispersiven Element, wobei die periodische Struktur um die optische Achse verdrehbar ist und das
dispersives Element vorzugsweise in einem im Zwischenbild angeordnet ist und/oder einer Anordnung mit einem dispersiven Element wobei die periodische Struktur aus mehreren Teilen unterschiedlicher Periodizität zusammengesetzt ist
und/oder
Anordnung mit einem dispersiven Element wobei die periodische Struktur reflektierend ausgebildet ist und als Strahlteiler wirkt. 108. Arrangement according to one of the preceding claims for the parallel recording of the individual images with different phases of the lighting
at several wavelengths, especially with one
Arrangement with a dispersive element, the periodic structure being rotatable about the optical axis and that
dispersive element is preferably arranged in an intermediate image and / or an arrangement with a dispersive element, the periodic structure being composed of several parts of different periodicity
and or
Arrangement with a dispersive element, the periodic structure being reflective and acting as a beam splitter.
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteileranordnung aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel und/oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, wobei die Struktur um die optische Achse verdrehbar ist und/oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteiler AO aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur,
wobei die Struktur aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. 109. Arrangement according to one of the preceding claims for the parallel recording of the individual images at different phase positions at a wavelength, in particular below
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter arrangement comprising at least one full mirror and a partially transparent mirror and / or
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflecting periodic structure, the structure being rotatable about the optical axis and / or
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter AO consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror or splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure,
the structure being composed of several parts.
Anordnung mit einem dispersiven Element und einer periodischen Struktur, deren Periode sich mindestens in einer Raumrichtung (Y) im wesentlichen senkrecht zur
Richtung der Periodizität (X) ändert und/oder
Anordnung mit einem dispersiven. Element und einer periodischen Struktur, wobei die periodische Struktur aus Teilen unterschiedlicher Periodizität besteht,
wobei das dispersive Element vorzugsweise im Zwischenbild angeordnet ist. 111. Arrangement according to one of the preceding claims for parallel recording with different modulation frequency at several wavelengths, in particular with one
Arrangement with a dispersive element and a periodic structure, the period of which is at least in one spatial direction (Y) substantially perpendicular to
Direction of periodicity (X) changes and / or
Arrangement with a dispersive. Element and a periodic structure, the periodic structure consisting of parts of different periodicity,
wherein the dispersive element is preferably arranged in the intermediate image.
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteiler AO aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel
und/oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt und/oder
mit einer periodischen Struktur, deren Periode sich mindestens in einer Raumrichtung (Y) im wesentlichen senkrecht zur
Richtung der Periodizität (X) ändert
und/oder
Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit einer Strahlteiler AO aus mindestens einem Vollspiegel und einem teildurchlässigen Spiegel oder Aufspaltung der Beleuchtung in mehrere Teilstrahlen mit mindestens einem Spiegel und einer reflektierenden periodischen Struktur, die als Strahlteiler wirkt wobei
die periodische Struktur aus Teilen unterschiedlicher Periodizität besteht. 112. Arrangement according to one of the preceding claims for parallel recording with different modulation frequency at a wavelength in particular below
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter AO consisting of at least one full mirror and a partially transparent mirror
and or
Splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure that acts as a beam splitter and / or
with a periodic structure, the period of which is at least in a spatial direction (Y) substantially perpendicular to the
Direction of periodicity (X) changes
and or
Splitting the lighting into several partial beams with a beam splitter AO from at least one full mirror and a partially transparent mirror or splitting the lighting into several partial beams with at least one mirror and a reflective periodic structure, which acts as a beam splitter
the periodic structure consists of parts of different periodicity.
ein optisches Element zur Formung einer linearen Intensitätsverteilung aus mindestens einer einer Zylinderlinse
oder einem holographisches Element
oder einem diffraktives Element
oder einer Powell Linse besteht. 128. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein
an optical element for forming a linear intensity distribution from at least one of a cylindrical lens
or a holographic element
or a diffractive element
or a Powell lens.
Priority Applications (7)
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---|---|---|---|
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