DE102024108046A1 - Super-resolution microscope with fast quasi-confocal detection - Google Patents
Super-resolution microscope with fast quasi-confocal detectionInfo
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Abstract
2.1. Zur Steigerung des Auflösungsvermögens quasikonfokaler Linienrastermikroskope mit Hauptstrahlteiler zur Kopplung von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang wird im „Re-Scan“-Verfahren nach einem Descanning durch die beleuchtende Strahlablenkungseinheit das Probenlicht im Detektionsstrahlengang noch einmal abgetastet, indem es hinter der konfokalen Blende durch eine zweite Strahlablenkeinheit in der Querrichtung zum linienförmigen Fokus über den Sensor bewegt wird. Zur Auflösungssteigerung in Längsrichtung kann die Beleuchtungslinie strukturiert sein. Die optische Anordnung hat den Nachteil erheblicher Lichtverluste aufgrund einer großen Anzahl von zu passierenden optischen Grenzflächen.
2.2. Lichtempfindlicher und flexibler ist ein Mikroskop, in dem die beleuchtende Strahlablenkeinheit optisch zwischen der Lichtquelle und dem Hauptstrahlteiler angeordnet ist, so dass das Probenlicht abseits der beleuchtenden Strahlablenkeinheit (non-descanned) zum Sensor gelangt, und eine Steuereinheit in einem Betriebsmodus das Probenlichtbündel nur mittels der zweiten Strahlablenkeinheit über den Sensor bewegt. Je nach Betriebsmodus kann eine Synchronisierung mit der ersten Strahlablenkeinheit vorgesehen sein.
2.3. Durch die hohe Lichtempfindlichkeit ist das Mikroskop besonders für die Fluoreszenzmikroskopie geeignet.
2.1. To increase the resolution of quasi-confocal line scanning microscopes with a main beam splitter for coupling the illumination and detection beam paths, the "re-scan" method involves descanning the sample light in the detection beam path by moving it across the sensor behind the confocal aperture by a second beam deflection unit in a direction transverse to the linear focus. To increase resolution in the longitudinal direction, the illumination line can be structured. This optical arrangement has the disadvantage of significant light losses due to the large number of optical interfaces that must be passed through.
2.2. A microscope in which the illuminating beam deflection unit is optically positioned between the light source and the main beam splitter, allowing the sample light to reach the sensor away from the illuminating beam deflection unit (non-descanned), is more light-sensitive and flexible. A control unit, in one operating mode, moves the sample light beam across the sensor using only the second beam deflection unit. Depending on the operating mode, synchronization with the first beam deflection unit may be provided.
2.3. Due to its high light sensitivity, the microscope is particularly suitable for fluorescence microscopy.
Description
Die Erfindung betrifft ein Mikroskop mit einem Beleuchtungsstrahlengang, einem Detektionsstrahlengang und einem Strahlteiler, wobei der Detektionsstrahlengang einen Probenraum, ein Mikroskopobjektiv, eine Tubuslinse, ein durch die Tubuslinse erzeugtes Zwischenbild und einen zweidimensional ortsauflösenden optoelektronischen Sensor mit einer Detektionsoptik zum Abbilden des Zwischenbilds auf den Sensor aufweist und der Beleuchtungsstrahlengang eine Lichtquelle und eine erste einstellbare Strahlablenkeinheit zum Bewegen eines Beleuchtungslichtbündels („Abtasten“, „Rastern“) durch den Probenraum aufweist und der Detektionsstrahlengang eine zweite einstellbare Strahlablenkeinheit zum Bewegen eines Probenlichtbündels über den Sensor aufweist, wobei der Beleuchtungsstrahlengang und der Detektionsstrahlengang mittels des Strahlteilers optisch derart zu einem gemeinsamen Strahlengang gekoppelt sind, dass Beleuchtungslicht von der Lichtquelle über den Strahlteiler durch das Mikroskopobjektiv in den Probenraum gelangt und Probenlicht aus dem Probenraum durch das Mikroskopobjektiv über den Strahlteiler und danach über die zweite Strahlablenkeinheit zum Sensor gelangt. Die Strahlablenkeinheiten sind dabei in oder zumindest in der Nähe einer jeweiligen Ebene angeordnet, die mit einer rückwärtigen Brennebene (engl. „back focal plane“) des Mikroskopobjektivs, welche bei telezentrischen Strahlengängen einer Pupillenebene des Mikroskopobjektivs entspricht, optisch konjugiert ist.The invention relates to a microscope with an illumination beam path, a detection beam path and a beam splitter, wherein the detection beam path has a sample chamber, a microscope objective, a tube lens, an intermediate image generated by the tube lens and a two-dimensional spatially resolving optoelectronic sensor with detection optics for imaging the intermediate image onto the sensor, and the illumination beam path has a light source and a first adjustable beam deflection unit for moving an illumination light beam (“scanning”, “rasterizing”) through the sample chamber, and the detection beam path has a second adjustable beam deflection unit for moving a sample light beam over the sensor, wherein the illumination beam path and the detection beam path are optically coupled by means of the beam splitter to form a common beam path in such a way that illumination light from the light source passes through the beam splitter through the microscope objective into the sample chamber and sample light from the sample chamber through the microscope objective via the beam splitter and then via the second Beam deflection unit to the sensor. The beam deflection units are arranged in or at least near a respective plane that is optically conjugated with a back focal plane of the microscope objective, which, in the case of telecentric beam paths, corresponds to a pupil plane of the microscope objective.
Die konfokale Fluoreszenz-Bildgebung liefert kontrastreiche, hochaufgelöste Bilder biologischer Proben. Dabei wird die Probe wie in
Diese Nachteile der punktweisen Bildgebung können durch eine Parallelisierung reduziert werden. Beispiele hierfür sind Konfokalmikroskope mit Nipkow-Scheibe und Lichtblattmikroskope, wobei letztere eine zusätzliche Beleuchtungsoptik benötigen. Eine Parallelisierung kann alternativ über eine linienförmige Beleuchtung erfolgen wie in
Zur weiteren Steigerung des Auflösungsvermögens quer zur Linie (Superauflösung jenseits der Beugungsgrenze) kann das Probenlicht im Detektionsstrahlengang nach dem Enttasten durch die beleuchtende Strahlablenkungseinheit noch einmal abgetastet (engl. „re-scanned“) werden, wozu es hinter der konfokalen Blende durch eine Strahlablenkeinheit in der Querrichtung über den Sensor bewegt wird (De Luca et al.: „Re-scan confocal microscopy: scanning twice for better resolution“ in Biomedical Optics Express 2013, Bd. 4, Nr. 11, S. 2644). Die Pixel des superaufgelösten Bilds der Probe müssen durch Verknüpfung von Intensitäten unterschiedlicher Pixel zu verschiedenen Zeitpunkten errechnet werden. Die optische Anordnung hat den Nachteil erheblicher Lichtverluste aufgrund einer großen Anzahl von zu passierenden optischen Grenzflächen.To further increase the resolution across the line (super-resolution beyond the diffraction limit), the sample light in the detection beam path can be re-scanned after being descanned by the illuminating beam deflection unit. For this purpose, it is moved across the sensor behind the confocal aperture by a beam deflection unit in the transverse direction (De Luca et al.: "Re-scan confocal microscopy: scanning twice for better resolution" in Biomedical Optics Express 2013, Vol. 4, No. 11, p. 2644). The pixels of the super-resolution image of the sample must be calculated by combining the intensities of different pixels at different times. This optical arrangement has the disadvantage of significant light losses due to the large number of optical interfaces that must be passed through.
Zur Steigerung des Auflösungsvermögens längs der Beleuchtungslinie kann diese im „Re-scan“-Verfahren zusätzlich in ihrer Längsrichtung hinsichtlich ihrer Intensität strukturiert (moduliert) werden (
Die geringe Lichtempfindlichkeit der im „Re-Scan“-Verfahren eingesetzten optischen Anordnungen bleibt auch mit der strukturierten Beleuchtung erhalten. Zudem sind die Anordnungen auf das spezielle scannende Mikroskopierverfahren beschränkt und damit unflexibel.The low light sensitivity of the optical arrays used in the "re-scan" technique remains even with structured illumination. Furthermore, the arrays are limited to the specific scanning microscopy technique and are therefore inflexible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop der eingangs genannten Art zu verbessern, so dass der Detektionsstrahlengang vereinfacht und dadurch eine höhere Lichtübertragungseffizienz und damit Lichtempfindlichkeit erreicht wird. Zumindest in besonderen Ausführungsformen soll auch eine größere Flexibilität des Mikroskops ermöglicht werden.The invention is based on the object of improving a microscope of the type mentioned at the beginning, so that the detection beam path is simplified and thus a higher light transmission efficiency and This allows for greater light sensitivity. At least in certain embodiments, greater flexibility of the microscope should also be possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Mikroskop, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a microscope having the features specified in claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Strahlablenkeinheit optisch zwischen der Lichtquelle und dem Strahlteiler angeordnet ist, so dass das Probenlicht abseits der ersten Strahlablenkeinheit zum Sensor gelangt und dass das Mikroskop eine Steuereinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, in einem Betriebsmodus das Probenlichtbündel mittels der zweiten Strahlablenkeinheit über den Sensor zu bewegen. Diese Bewegung ist zunächst prinzipiell unabhängig von einer Bewegung der ersten Strahlablenkeinheit. Je nach Arbeitsmodus kann eine Synchronisierung mit der ersten Strahlablenkeinheit vorgesehen sein.According to the invention, the first beam deflection unit is optically arranged between the light source and the beam splitter, so that the sample light reaches the sensor away from the first beam deflection unit. The microscope also comprises a control unit configured to move the sample light beam across the sensor by means of the second beam deflection unit in one operating mode. This movement is, in principle, initially independent of any movement of the first beam deflection unit. Depending on the operating mode, synchronization with the first beam deflection unit can be provided.
Das Probenlicht gelangt abseits der ersten Strahlablenkeinheit zum Sensor, was als nicht-enttastete (engl. „non-descanned“) Detektion bezeichnet werden kann. Im Unterschied zu den bekannten „Re-scan“-Mikroskopen wird die Bewegung der ersten Strahlablenkeinheit also nicht zurückgenommen, auch nicht durch die zweite Strahlablenkeinheit. Die aufgrund der abtastenden Beleuchtung nacheinander von unterschiedlichen Orten im Probenraum ausgehenden Strahlenbündel (Probenlichtbündel) fallen also unter entsprechend verschiedenen Winkeln zur optischen Achse in jede zur rückwärtigen Brennebene des Mikroskops konjugierte Ebene (und damit unter verschiedenen Winkeln zur optischen Achse auf die zweite Strahlablenkeinheit). Es gibt erfindungsgemäß vor der zweiten Strahlablenkeinheit kein ruhendes Strahlenbündel. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass auch mit nur genau einer Strahlablenkeinheit im Detektionsstrahlengang eine Abtastung eines Strahlenbündels möglich ist, welche dem „Re-Scanning“ entspricht. Dementsprechend liegt (in dem ersten Betriebsmodus) auch hinter der zweiten Strahlablenkeinheit kein ruhendes Strahlenbündel vor, sondern der Winkel des Strahlbündels zur optischen Achse nach dem Passieren der zweiten Strahlablenkeinheit variiert zeitlich.The sample light reaches the sensor away from the first beam deflection unit, which can be referred to as non-descanned detection. In contrast to conventional "re-scan" microscopes, the movement of the first beam deflection unit is therefore not reversed, not even by the second beam deflection unit. The beams (sample light beams) emanating successively from different locations in the sample chamber due to the scanning illumination thus fall at correspondingly different angles to the optical axis into each plane conjugate to the rear focal plane of the microscope (and thus at different angles to the optical axis onto the second beam deflection unit). According to the invention, there is no stationary beam bundle in front of the second beam deflection unit. Surprisingly, it was discovered that scanning a beam bundle, which corresponds to "re-scanning," is possible even with exactly one beam deflection unit in the detection beam path. Accordingly, there is no stationary beam behind the second beam deflection unit (in the first operating mode), but the angle of the beam to the optical axis after passing the second beam deflection unit varies over time.
Zur vorteilhaften Steigerung der Auflösung kann der Winkel der Ausbreitungsrichtung der aus dem Probenraum kommenden Strahlenbündel gegenüber der optischen Achse durch die zweite Strahlablenkeinheit sogar vergrößert werden. Dieses Verfahren kann als Zusatz-Abtastung („Add-Scanning“) bezeichnet werden. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, in dem ersten Betriebsmodus das Probenlichtbündel mittels der zweiten Strahlablenkeinheit so über den Sensor zu bewegen, dass das Zwischenbild vergrößert auf den Sensor abgebildet wird. Insbesondere kann die Bewegung derart erfolgen, dass ein Betrag eines Quotienten zwischen einem ersten Winkel, den eine Ausbreitungsrichtung eines von einem Ort im Probenraum ausgehenden Strahlenbündels des Probenlichts unmittelbar hinter der zweiten Strahlablenkeinheit mit einer optischen Achse der Detektionsoptik einschließt, und einem zweiten Winkel, den die Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels unmittelbar vor der zweiten Strahlablenkeinheit mit einer optischen Achse des Mikroskopobjektivs einschließt, größer als eins ist.To advantageously increase the resolution, the angle of the propagation direction of the beams emerging from the sample chamber relative to the optical axis can even be increased by the second beam deflection unit. This method can be referred to as add-scanning. For this purpose, the control unit can be configured to move the sample light beam across the sensor by means of the second beam deflection unit in the first operating mode such that the intermediate image is projected onto the sensor in an enlarged manner. In particular, the movement can occur such that an amount of a quotient between a first angle, which a propagation direction of a beam of sample light emanating from a location in the sample chamber immediately behind the second beam deflection unit encloses with an optical axis of the detection optics, and a second angle, which the propagation direction of the beam encloses with an optical axis of the microscope objective immediately in front of the second beam deflection unit, is greater than one.
Die rechnerische Auswertung der Pixelintensitäten des Sensors aus unterschiedlichen Zeitpunkten zur Erzeugung eines superaufgelösten Bildes der Probe quer zur Längsrichtung der Beleuchtungslinie entspricht dabei der bekannten Auswertung von enttastet und wieder-abgetastet (und dadurch, vorzugsweise um den Faktor zwei, eindimensional quer zur Längsrichtung der Beleuchtungslinie vergrößert auf den Senor abgebildetem Zwischenbild) aufgenommenen Pixelintensitäten. Mit einem durch die Zusatzabtastung nur eindimensional wirksamen Vergrößerungsfaktor von zwei wird die maximale Auflösungssteigerung quer zur Beleuchtungslinie erreicht.The computational evaluation of the sensor's pixel intensities from different points in time to generate a super-resolution image of the sample perpendicular to the longitudinal direction of the illumination line corresponds to the familiar evaluation of pixel intensities recorded after desampling and resampling (and thus projected onto the sensor, preferably by a factor of two, one-dimensionally magnified perpendicular to the longitudinal direction of the illumination line). With a magnification factor of two, which is only effective in one dimension due to the additional scanning, the maximum resolution increase perpendicular to the illumination line is achieved.
Die Vergrößerung gelingt mit geringem Aufwand, indem mindestens im ersten Betriebsmodus die Bewegung der zweiten Strahlablenkeinheit mit der Bewegung der ersten Strahlablenkeinheit synchronisierbar oder synchronisiert ist, beispielsweise durch die Steuereinheit oder eine andere elektrische Verbindung. Insbesondere kann die Steuereinheit dabei die erste Strahlablenkeinheit und die zweite Strahlablenkeinheit mit identischer oder näherungsweise identischer Winkelamplitude bewegen, um durch die Zusatzabtastung mit der nur eindimensional wirksamen mechanischen Vergrößerung um den Faktor 2 die maximale Auflösungssteigerung zu erzielen.Magnification is achieved with minimal effort by synchronizing the movement of the second beam deflection unit with the movement of the first beam deflection unit, at least in the first operating mode, for example, via the control unit or another electrical connection. In particular, the control unit can move the first beam deflection unit and the second beam deflection unit with identical or approximately identical angular amplitudes in order to achieve the maximum resolution increase by a factor of 2 through the additional scanning with the only one-dimensional mechanical magnification.
Die mechanisch-technischen Anforderungen an die zweite Strahlablenkeinheit sind geringer als bei den herkömmlichen „Re-Scan“-Anordnungen. Sie muss lediglich dieselben Anforderungen erfüllen wie die erste Strahlablenkeinheit, weil sie nicht - wie im Stand der Technik - eine doppelt so große Winkelamplitude wie jene abtasten muss, was Probleme bei der Linearisierung bereiten könnte und außerdem die insgesamte Aufnahmegeschwindigkeit begrenzen würde, beispielsweise im Falle eines Galvanometerspiegels.The mechanical and technical requirements for the second beam deflection unit are lower than for conventional "re-scan" arrangements. It only has to meet the same requirements as the first beam deflection unit because it does not have twice the angular amplitude as in the prior art. which could cause problems with linearization and would also limit the overall acquisition speed, for example in the case of a galvanometer mirror.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, in denen der Beleuchtungsstrahlengang einen Strahlformer (beispielsweise eine Zylinderlinse) zum Erzeugen einer linienförmigen Verteilung des Beleuchtungslichts („Beleuchtungslinie“) aufweist. Die linienförmige Verteilung kann dabei entlang ihrer Längsrichtung intensitätsmoduliert, insbesondere periodisch intensitätsmoduliert sein. Vorzugsweise entsteht eine solche Verteilung („Lichtmuster“) im Probenraum indem der Strahlformer, der beispielsweise zu diesem Zweck einen räumlichen Lichtmodulator umfasst, simultan mindestens zwei linienförmige, miteinander interferenzfähige Lichtverteilungen erzeugt, die in einer zu einer rückwärtigen Fokusebene des Mikroskopobjektivs (BFP) optisch konjugierten Ebene vorliegen. Durch die Strukturierung längs der Beleuchtungslinie ist es möglich, die Auflösung quer zur Beleuchtungslinie zu steigern, indem Rohbilder in mehreren Phasenlagen der modulierten Lichtverteilung aufgenommen und ausgewertet werden. Vorzugsweise erzeugt der Strahlformer die Verteilung des Beleuchtungslichts so, dass sich im Probenraum eine (modulierte oder unmodulierte) Beleuchtungslinie ergibt, die durch den Detektionsstrahlengang geometrisch parallel zu den Pixelzeilen des Sensors auf diese Pixelzeilen abgebildet wird.Embodiments in which the illumination beam path has a beam former (e.g., a cylindrical lens) for generating a linear distribution of the illumination light ("illumination line") are advantageous. The linear distribution can be intensity-modulated along its longitudinal direction, in particular periodically intensity-modulated. Such a distribution ("light pattern") is preferably created in the sample space by the beam former, which for this purpose comprises, for example, a spatial light modulator, simultaneously generating at least two linear, mutually interfering light distributions that are present in a plane optically conjugate to a rear focal plane of the microscope objective (BFP). By structuring along the illumination line, it is possible to increase the resolution transverse to the illumination line by recording and evaluating raw images in multiple phase positions of the modulated light distribution. Preferably, the beam former generates the distribution of the illumination light in such a way that a (modulated or unmodulated) illumination line is created in the sample space, which is imaged onto these pixel lines by the detection beam path geometrically parallel to the pixel lines of the sensor.
Vorzugsweise kann der Strahlformer wiederholt, insbesondere motorisch und gesteuert durch die Steuereinheit, aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernbar sein. Dadurch kann das Mikroskop auch mit Weitfeldbeleuchtung in alternativen Betriebsmodi genutzt werden. Die wiederholte motorische Entfernbarkeit ermöglicht dabei große Flexibilität. Alternativ oder zusätzlich zur Entfernbarkeit kann der Strahlformer einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) umfassen, insbesondere einen phasenmodulierenden SLM in einer konjugierten Pupillenebene (hintere Brennebene des Mikroskopobjektivs). Dieser kann insbesondere derart durch die Steuereinheit gesteuert werden, dass im zeitlichen Wechsel unterschiedliche Beleuchtungslichtverteilungen im Probenraum entstehen. So ist es möglich, alternativ eine unmodulierte linienförmige Beleuchtung oder, mittels mindestens zweier interferenzfähiger Lichtverteilungen in der Pupillenebene/BFP, eine modulierte linienförmige Beleuchtung im Probenraum zu erzeugen. Der Wechsel kann beispielsweise mit einer Frequenz von 50 Hz bis 100 Hz durch Umschreiben des Phasenmusters auf dem SLM sehr schnell geschehen. Mittels eines SLM wäre auch eine schnelle Umschaltung auf eine punktförmige Beleuchtung im Wechsel mit linienförmiger Beleuchtung möglich, beispielsweise zur optischen Manipulation im Wechsel mit der Beobachtung der Probe. Zweckmäßigerweise kann die erste Strahlablenkeinheit für diesen Zweck zweidimensional einstellbar sein.Preferably, the beam former can be repeatedly removed from the illumination beam path, in particular by a motor and controlled by the control unit. This allows the microscope to be used with wide-field illumination in alternative operating modes. The repeated motorized removability allows for great flexibility. Alternatively or in addition to removability, the beam former can comprise a spatial light modulator (SLM), in particular a phase-modulating SLM in a conjugate pupil plane (rear focal plane of the microscope objective). This can be controlled by the control unit in such a way that different illumination light distributions are created in the sample space in temporal alternation. This makes it possible to generate either unmodulated linear illumination or, by means of at least two interference-capable light distributions in the pupil plane/BFP, modulated linear illumination in the sample space. The alternation can occur very quickly, for example, at a frequency of 50 Hz to 100 Hz by rewriting the phase pattern on the SLM. Using an SLM, rapid switching between point illumination and linear illumination would also be possible, for example, for optical manipulation alternating with observation of the sample. The first beam deflection unit can be conveniently adjustable in two dimensions for this purpose.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist die erste Strahlablenkeinheit zum zweidimensionalen Abtasten des Probenraums in einer ersten Dimension quer zu der Längsrichtung der linienförmigen Beleuchtungslichtverteilung und in einer zweiten Dimension parallel zu der Längsrichtung ausgebildet. Durch die Bewegung in der zweiten Dimension kann die Beleuchtungslichtverteilung mit geringem Aufwand und in kurzer Zeit in verschiedene Phasenlagen gebracht werden, um die zur Auflösungssteigerung erforderliche Anzahl unterschiedlich beleuchteter Rohbilder aufnehmen zu können. Diesem Zweck kann vorzugsweise eine Steuereinheit dienen, die die erste Strahlablenkeinheit in mindestens drei unterschiedliche Stellungen entlang der zweiten Dimension stellt, wobei zwei der resultierenden Positionen der Beleuchtungslichtverteilung im Probenraum an den Stellungen entlang der zweiten Dimension um weniger als eine Länge der Beleuchtungslichtverteilung in Längsrichtung, insbesondere um eine Periodenlänge der intensitätsmodulierten Lichtverteilung oder weniger als eine Periodenlänge, voneinander beabstandet sind, und wobei insbesondere für jede der Stellungen ein separates Rohbild erstellt wird.In particularly advantageous embodiments, the first beam deflection unit is designed for two-dimensional scanning of the sample space in a first dimension transverse to the longitudinal direction of the linear illumination light distribution and in a second dimension parallel to the longitudinal direction. By moving in the second dimension, the illumination light distribution can be brought into different phase positions with little effort and in a short time in order to be able to record the number of differently illuminated raw images required to increase resolution. This purpose can preferably be served by a control unit that places the first beam deflection unit in at least three different positions along the second dimension, wherein two of the resulting positions of the illumination light distribution in the sample space at the positions along the second dimension are spaced from each other by less than one length of the illumination light distribution in the longitudinal direction, in particular by one period length of the intensity-modulated light distribution or less than one period length, and wherein in particular a separate raw image is created for each of the positions.
Alternativ zur Verschiebung des Lichtmusters längs zur (intensitätsmodulierten) Beleuchtungslinie kann der Beleuchtungsstrahlengang eine Optik zum Beleuchten des Probenraums in unterschiedlichen Phasenlagen der intensitätsmodulierten Beleuchtungslichtverteilung umfassen, insbesondere einen räumlichen Phasenmodulator (phasenbeeinflussender räumlicher Lichtmodulator) und/oder einen elektrooptischen Modulator in Verbindung mit einer Viertelwellenplatte. In dieser Alternative kann die erste Strahlablenkeinheit vorteilhafterweise zum nur eindimensionalen Abtasten des Probenraums quer zur Längsrichtung der linienförmigen Beleuchtungslichtverteilung ausgebildet sein. Eine nur eindimensional einstellbare Strahlablenkungseinheit ist kostengünstiger und vor allem stabiler.As an alternative to shifting the light pattern along the (intensity-modulated) illumination line, the illumination beam path can comprise optics for illuminating the sample space at different phase positions of the intensity-modulated illumination light distribution, in particular a spatial phase modulator (phase-influencing spatial light modulator) and/or an electro-optical modulator in conjunction with a quarter-wave plate. In this alternative, the first beam deflection unit can advantageously be designed for only one-dimensional scanning of the sample space perpendicular to the longitudinal direction of the linear illumination light distribution. A beam deflection unit that can be adjusted only one-dimensionally is more cost-effective and, above all, more stable.
Im Vergleich zur herkömmlichen SIM-Bildaufnahme, bei der 13 oder sogar 15 Rohbilder gebraucht werden, kann ein Ergebnisbild mit nur drei Rohbildern errechnet werden. Dabei kann ein interessierender Bereich (ROI) des Probenraums zumindest in Längsrichtung der Beleuchtungslinie mittels der zweiten Dimension der ersten Strahlablenkeinheit 21 ausgewählt werden. Ein kleiner interessierender Bereich kann extrem schnell mit der Beleuchtungslinie abgetastet und aufgenommen werden.Compared to conventional SIM image acquisition, which requires 13 or even 15 raw images, a resulting image can be calculated using only three raw images. A region of interest (ROI) of the sample space can be selected at least in the longitudinal direction of the illumination line using the second dimension of the first beam deflection unit 21. A small region of interest can be scanned and recorded extremely quickly with the illumination line.
In allen Ausführungsformen kann der Sensor, insbesondere ein CMOS-Sensor, ein EMCCD-Sensor, ein iCCD-Sensor oder ein SPAD-Array-Sensor, eine deaktivierbare zeilenförmige elektronische Blende aufweisen, die konfokal zu dem Zwischenbild angeordnet ist. Vorzugsweise kann die elektronische Blende in Form eines entsprechend betriebenen „Rolling Shutters“ realisiert sein, beispielsweise wie in
Die Verwendung eines Sensors mit elektronischer Blende hat den Vorteil, dass eine schnelle Umschaltung zwischen konfokaler und Weitfeld-Detektion möglich ist, beispielsweise zwischen aufeinanderfolgenden Bildern.The use of a sensor with an electronic aperture has the advantage of allowing rapid switching between confocal and wide-field detection, for example between consecutive images.
Zum Zwecke der Synchronisation kann der Sensor vorzugsweise über einen Lichtblatt-Auslesemodus (von Hamamatsu als „Lightsheet Readout Mode“ bezeichnet) verfügen und einen Ausgang aufweisen, an welchem eine Information über die Position und/oder Bewegung der Blende anliegt, insbesondere ein Signal, das einen Beginn eines Bildes (engl. „frame“) auf dem Sensor anzeigt. Kommerziell sind Sensoren mit einem solchen Modus und einem entsprechenden Ausgang von Hamamatsu verfügbar: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/cameras/cmoscameras/lightsheet-readout-mode.html. Der Ausgang wird von Hamamatsu als „external trigger output“ bezeichnet. Zweckmäßigerweise ist die Steuereinheit elektrisch mit dem Sensor und der Strahlablenkeinheit verbunden.For synchronization purposes, the sensor can preferably have a lightsheet readout mode (referred to by Hamamatsu as "Lightsheet Readout Mode") and an output to which information about the position and/or movement of the aperture is present, in particular a signal indicating the beginning of an image (frame) on the sensor. Sensors with such a mode and a corresponding output are commercially available from Hamamatsu: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/cameras/cmoscameras/lightsheet-readout-mode.html. Hamamatsu refers to the output as an "external trigger output." The control unit is expediently electrically connected to the sensor and the beam deflection unit.
Besonders vielseitig ist ein Mikroskop, in dem die Steuereinheit elektrisch mit dem Sensor und den Strahlablenkeinheiten verbunden ist und in dem ersten wählbaren Betriebsmodus die elektronische Blende aktiviert und die Bewegungen der ersten Strahlablenkeinheit, der zweiten Strahlablenkeinheit und die Bewegung der elektronischen Blende synchronisiert und/oder in einem zweiten wählbaren Betriebsmodus die elektronische Blende aktiviert, die Bewegung der ersten Strahlablenkeinheit und die Bewegung der elektronischen Blende synchronisiert und die zweite Strahlablenkeinheit in einer konstanten Stellung, insbesondere in einer Neutralstellung, betreibt und/oder in einem dritten wählbaren Betriebsmodus die elektronische Blende deaktiviert und die zweite Strahlablenkeinheit in einer konstanten Stellung betreibt und/oder in einem vierten wählbaren Betriebsmodus die elektronische Blende deaktiviert und die erste und zweite Strahlablenkeinheit wie im ersten Betriebsmodus betreibt.A microscope is particularly versatile in which the control unit is electrically connected to the sensor and the beam deflection units and, in the first selectable operating mode, activates the electronic aperture and synchronizes the movements of the first beam deflection unit, the second beam deflection unit and the movement of the electronic aperture and/or, in a second selectable operating mode, activates the electronic aperture, synchronizes the movement of the first beam deflection unit and the movement of the electronic aperture and operates the second beam deflection unit in a constant position, in particular in a neutral position, and/or, in a third selectable operating mode, deactivates the electronic aperture and operates the second beam deflection unit in a constant position and/or, in a fourth selectable operating mode, deactivates the electronic aperture and operates the first and second beam deflection units as in the first operating mode.
Ein solches System kann sowohl in einem klassischen Weitfeldmodus (beispielsweise mit inkohärenter Beleuchtung über eine Lampe als Lichtquelle, deren Beleuchtungslicht beispielsweise abseits der ersten Strahlablenkeinheit, beispielsweise durch einen anderen Ausgang des Mikroskops, über das Mikroskopobjektiv in den Probenraum geführt wird) oder im Laser-Weitfeldmodus (dritter Betriebsmodus) als auch in einem konfokalen Modus (zweiter Betriebsmodus) als auch in einem Zusatz-Abtastungs-Modus (erster und vierter Betriebsmodus) arbeiten, ohne dass eine mechanische Veränderung am System notwendig wäre. Darüber hinaus sind mit dem Sensor in weiteren Betriebsmodi auch quasisimultan Phasenmessungen (beispielsweise Phasenkontrast, Differentialinterferenzkontrast, Intensitätstransportgleichung, Differentialphasenkontrast) möglich. Es ist lediglich notwendig, eine oder beide Strahlablenkeinheiten in ihrer Ruheposition (Neutralstellung) zu belassen und die elektronische Blende zu aktivieren und gegebenenfalls ihre Größe entsprechend einzustellen oder sie zu deaktivieren. Dies gelingt einfach und schnell von der Steuereinheit aus, beispielsweise per Software. Das ermöglicht die Realisierung von Messaufgaben, die mit einem herkömmlichen „Re-Scan“-System nicht möglich wären. Insbesondere bei multimodalen Aufnahmen derselben Probe ist die mehrfache Nutzung desselben Sensors in der Regel vorteilhaft, da die Daten aus den verschiedenen Messungen dann bereits pixelgenau aufeinander ausgerichtet sind. Außerdem ist der Kostenaufwand gering, weil für die unterschiedlichen Verfahren nur ein Sensor benötigt wird.Such a system can operate in a classic wide-field mode (e.g., with incoherent illumination via a lamp as the light source, whose illumination light is guided into the sample chamber via the microscope objective, away from the first beam deflection unit, for example, through another output of the microscope) or in laser wide-field mode (third operating mode), as well as in a confocal mode (second operating mode), and in an additional scanning mode (first and fourth operating modes) without requiring any mechanical modification to the system. Furthermore, the sensor also enables quasi-simultaneous phase measurements (e.g., phase contrast, differential interference contrast, intensity transport equation, differential phase contrast) in other operating modes. It is only necessary to leave one or both beam deflection units in their rest position (neutral position) and activate the electronic aperture, adjusting its size accordingly if necessary, or deactivating it. This can be done quickly and easily from the control unit, for example, via software. This enables the realization of measurement tasks that would be impossible with a conventional "re-scan" system. Especially for multimodal imaging of the same sample, the multiple use of the same sensor is generally advantageous, as the data from the various measurements are then aligned with pixel precision. Furthermore, the cost is low because only one sensor is required for the different methods.
Eine vorteilhafte Option kann deshalb darin bestehen, dass die Steuereinheit in dem dritten Betriebsmodus den Strahlformer aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt und/oder in dem zweiten Betriebsmodus eine Intensitätsmodulation des Beleuchtungslichts deaktivierbar oder deaktiviert ist (so dass im Probenraum eine unmodulierte Beleuchtungslinie entsteht) und/oder die Steuereinheit eine Auswahleinheit zur Auswahl eines von mehreren Betriebsmodi umfasst und die Steuereinheit das Mikroskop nach der Auswahl in dem ausgewählten Betriebsmodus betreibt, insbesondere mit einer zusätzlichen Auswahlmöglichkeit in der Auswahleinheit zwischen mehreren Untermodi mit jeweils unterschiedlichen Lichtquellen, insbesondere für den dritten Betriebsmodus. Das ermöglicht eine flexible, kostengünstige Nutzung mit geringem Bedienaufwand.An advantageous option can therefore be that the control unit removes the beam former from the illumination beam path in the third operating mode and/or an intensity modulation of the illumination light can be deactivated or is deactivated in the second operating mode (so that an unmodulated illumination line is created in the sample space) and/or the control unit comprises a selection unit for selecting one of several operating modes and the control unit switches the microscope on after the selection operates in the selected operating mode, particularly with an additional selection option in the selection unit between several sub-modes, each with different light sources, especially for the third operating mode. This enables flexible, cost-effective use with minimal operating effort.
Vorteilhaft kompakt und lichteffizient ist ein Mikroskop, in dem der Detektionsstrahlengang zwischen dem von der Tubuslinse erzeugten Zwischenbild und der Detektionsoptik frei ist von konfokalen Feldblenden, insbesondere von Schlitzblenden, und insbesondere frei ist von mit dem Zwischenbild konjugierten Bildebenen und/oder in dem der Detektionsstrahlengang zwischen dem von der Tubuslinse erzeugten Zwischenbild und der Detektionsoptik genau eine zur rückwärtigen Brennebene des Mikroskopobjektivs konjugierte Ebene aufweist.A microscope is advantageously compact and light-efficient if the detection beam path between the intermediate image generated by the tube lens and the detection optics is free of confocal field diaphragms, in particular slit diaphragms, and in particular is free of image planes conjugated with the intermediate image and/or if the detection beam path between the intermediate image generated by the tube lens and the detection optics has exactly one plane conjugated to the rear focal plane of the microscope objective.
Besonders kompakt und lichteffizient kann ein Mikroskop gebaut werden, indem der gemeinsame Strahlengang optisch zwischen dem Zwischenbild und dem Strahlteiler eine Optik, vorzugsweise eine Abtastoptik (engl. „scan lens“), zum Erzeugen einer zur rückwärtigen Brennebene des Mikroskopobjektivs konjugierten Ebene auf oder in der Nähe der ersten Strahlablenkeinheit und auf oder in der Nähe der zweiten Strahlablenkeinheit aufweist. Dadurch ist zum einen der Strahlteiler in kollimiertem Licht angeordnet, so dass eventuelle Verschmutzungen nur geringen Einfluss auf seine Übertragungsqualität haben. Zum anderen kann auf diese Weise eine kompakte Kopplung von Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang erfolgen, ohne dass es - wie im Stand der Technik - einer zusätzlichen Kollimierung bedürfte. Insbesondere kann dadurch auf eine zusätzliche Relaisoptik verzichtet werden.A microscope can be constructed to be particularly compact and light-efficient if the common beam path has an optical system, preferably a scanning lens, between the intermediate image and the beam splitter for generating a plane conjugate to the rear focal plane of the microscope objective on or near the first beam deflection unit and on or near the second beam deflection unit. This means that, on the one hand, the beam splitter is arranged in collimated light, so that any contamination has only a minimal impact on its transmission quality. On the other hand, this allows a compact coupling of the illumination and detection beam paths without the need for additional collimation, as is the case in the prior art. In particular, this eliminates the need for additional relay optics.
Besonders vorteilhaft kann hier die konjugierte Ebene (Pupillenebene) durch Reflexion am Strahlteiler entstehen, so dass die erste Strahlablenkeinheit in oder in der Nähe der reflektierten konjugierten Ebene liegt, insbesondere mit Transmission der konjugierten Pupillenebene in den Detektionsstrahlengang auf oder in die Nähe der zweiten Strahlablenkeinheit, so dass die zweite Strahlablenkeinheit in oder in der Nähe der transmittierten konjugierten Ebene liegt. Auf diese Weise wird keine zusätzliche Optik im Detektionsstrahlengang benötigt, was die Anzahl der optischen Grenzflächen minimal hält und dadurch die Lichtempfindlichkeit der Detektion maximiert. Die Transmission in den Detektionsstrahlengang führt (gegenüber einer Anordnung in Reflexion) zu einer besseren Auslöschung des Anregungslichtes, so dass am Detektor ein verbesserter Kontrast von Messsignal zu Anregungssignal erreicht wird.Particularly advantageously, the conjugate plane (pupil plane) can be created by reflection at the beam splitter, so that the first beam deflection unit lies in or near the reflected conjugate plane, in particular with transmission of the conjugate pupil plane into the detection beam path on or near the second beam deflection unit, so that the second beam deflection unit lies in or near the transmitted conjugate plane. In this way, no additional optics are required in the detection beam path, which keeps the number of optical interfaces to a minimum and thereby maximizes the light sensitivity of the detection. The transmission into the detection beam path leads (compared to a reflected arrangement) to better extinction of the excitation light, so that an improved contrast between the measurement signal and the excitation signal is achieved at the detector.
Vorzugsweise verlaufen sowohl das Beleuchtungslicht auf seinem Weg zum Mikroskopobjektiv als auch das Probenlicht auf seinem Weg zum Sensor durch dasselbe von der Tubuslinse erzeugte Zwischenbild. Dabei kann der Strahlteiler als Hauptstrahlteiler oder Hauptfarbteiler optisch zwischen der ersten Strahlablenkeinheit und dem von der Tubuslinse erzeugten Zwischenbild angeordnet sein.Preferably, both the illumination light on its path to the microscope objective and the sample light on its path to the sensor pass through the same intermediate image generated by the tube lens. The beam splitter can be arranged as a main beam splitter or main color splitter, optically positioned between the first beam deflection unit and the intermediate image generated by the tube lens.
Durch die gemeinsame Nutzung desselben Zwischenbilds für Beleuchtung und Detektion wird vorteilhafterweise nur ein einzelner optischer Anschluss (engl. „port“) des Mikroskops belegt. Eventuelle weitere Ausgänge stehen für andere Nutzungen zur Verfügung, so dass das Mikroskop eine noch größere Flexibilität aufweist. Insbesondere kann die schnelle quasikonfokale Mikroskopie mit anderen Methoden, welche einen eigenen Ausgang benötigen, in multimodaler Weise kombiniert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung aus Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang, jeweils bis zum bzw. ab dem Zwischenbild, oder nur aus dem Detektionsstrahlengang vom Zwischenbild bis zum Sensor kann dadurch vorteilhafterweise in einem einzelnen Modul integriert werden, was den Herstellungs- und Installationsaufwand verringert und eine kompaktere und stabilere Bauweise ermöglicht, wobei im Falle des kombinierten Moduls mit Beleuchtungs- und Strahlengang die eigentliche Lichtquelle außerhalb des Moduls angeordnet und optisch mit diesem verbindbar oder verbunden sein kann, beispielsweise mittels Lichtleitfaser(n) oder Freistrahleinkopplung in das Modul. Gegenüber Lichtblattmikroskopen wird zudem nur eine einzelne Beleuchtungsoptik in Form des Mikroskopobjektivs benötigt.By sharing the same intermediate image for illumination and detection, only a single optical port on the microscope is advantageously occupied. Additional outputs are available for other uses, thus providing even greater flexibility. In particular, fast quasi-confocal microscopy can be combined in a multimodal manner with other methods that require their own output. The inventive arrangement of illumination and detection beam paths, each up to or from the intermediate image, or only the detection beam path from the intermediate image to the sensor, can thus advantageously be integrated into a single module, which reduces manufacturing and installation costs and enables a more compact and stable design. In the case of the combined module with illumination and beam paths, the actual light source can be arranged outside the module and can be optically connected to it, for example, by means of optical fiber(s) or free-beam coupling into the module. Furthermore, compared to light-sheet microscopes, only a single illumination optics unit in the form of the microscope objective is required.
Alternativ kann das Mikroskop eine zweite Tubuslinse aufweisen, welche ein zweites Zwischenbild erzeugt, wobei das Beleuchtungslicht auf seinem Weg zum Mikroskopobjektiv durch das zweite Zwischenbild (beispielsweise an einem zweiten optischen Anschluss des Mikroskops) verläuft. So kann beispielsweise ein vorhandenes Laser-Scanning-Modul zur Beleuchtung genutzt werden. An das erste Zwischenbild am ersten Anschluss des Mikroskops wird dann beispielsweise nur der Detektionsstrahlengang als eigenes Modul angebunden.Alternatively, the microscope can have a second tube lens that creates a second intermediate image, with the illumination light passing through the second intermediate image (e.g., at a second optical port of the microscope) on its way to the microscope objective. For example, an existing laser scanning module can be used for illumination. Only the detection beam path, for example, is then connected to the first intermediate image at the first port of the microscope as a separate module.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Detektionsstrahlengang zwischen dem Strahlteiler und der Detektionsoptik einen Nebenfarbteiler aufweisen, welcher das Probenlicht in zwei spektral disjunkte Anteile aufteilt und diese auf disjunkte Bereiche des Sensors oder auf einen jeweiligen Sensor leitet (beispielsweise wie in
Vorteilhafterweise umfasst die erste Strahlablenkeinheit MEMS-Mikrospiegel, insbesondere kontinuierlich um zwei orthogonale Raumrichtungen verstellbare MEMS-Mikrospiegel. Dadurch kann ein Modul (mit Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang, jeweils bis zum Zwischenbild oder nur dem Detektionsstrahlengang ab dem Zwischenbild) kompakt, leise und kostengünstig bereitgestellt werden. Zweidimensional verstellbare MEMS-Scanner haben zudem den Vorteil, dass der Ablenkspiegel immer in der optischen Pupille/BFP liegt, was die Genauigkeit der Platzierung des Beleuchtungsfokusvolumens optimiert. Die zweite Achse kann insbesondere mitgenutzt werden, um die Beleuchtungslinie entlang ihrer Längsrichtung zu verschieben, um die verschiedenen Beleuchtungsphasenlagen einer strukturierten Beleuchtung zu erzeugen. Weiterhin kann damit der Ausleuchtungsbereich definiert und/oder eine längere (modulierte oder unmodulierte) oder homogenere (unmodulierte) Linie erzeugt werden. Außerdem kann die zweite Achse genutzt werden, um entlang der Beleuchtungslinie sehr kleine Bewegungen zu erzeugen, die die Linienbeleuchtung homogenisieren (ohne SIM-Modus). Schließlich ist damit auch eine gute Bildfeldausleuchtung garantiert, wenn mit über die erste Strahlablenkeinheit die Probe optisch manipuliert wird.Advantageously, the first beam deflection unit comprises MEMS micromirrors, in particular MEMS micromirrors that can be continuously adjusted around two orthogonal spatial directions. This allows a module (with illumination and detection beam paths, each up to the intermediate image or only the detection beam path from the intermediate image) to be provided in a compact, quiet, and cost-effective manner. Two-dimensionally adjustable MEMS scanners also have the advantage that the deflection mirror is always located in the optical pupil/BFP, which optimizes the accuracy of the illumination focus volume placement. The second axis can be used, in particular, to shift the illumination line along its longitudinal direction to generate the various illumination phase positions of structured illumination. Furthermore, it can be used to define the illumination area and/or to generate a longer (modulated or unmodulated) or more homogeneous (unmodulated) line. Furthermore, the second axis can be used to generate very small movements along the illumination line that homogenize the line illumination (without SIM mode). Finally, this also guarantees good image field illumination when the sample is optically manipulated via the first beam deflection unit.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen das Mikroskop ein Stativ aufweist, an welchem das Mikroskopobjektiv, insbesondere in einem Objektivrevolver, angeordnet ist, wobei das Stativ einen ersten Anschluss, in dessen Bereich die Tubuslinse und das Zwischenbild angeordnet sind, und mindestens einen weiteren Anschlussmit einer weiteren Tubuslinse und einem weiteren Zwischenbild aufweist, wobei das Probenlicht mittels mindestens eines zweiten Strahlteilers, insbesondere eines wiederholt entfernbaren Strahlteilers, oder mittels eines Spiegels simultan oder sequentiell zu beiden Ausgängen leitbar ist, wobei der erste Strahlteiler, die Detektionsoptik, der Sensor, die erste und die zweite Strahlablenkeinheit und eine Abtastoptik innerhalb eines Moduls angeordnet sind, welches mit einem der Anschlüsse lösbar mechanisch und optisch verbunden ist. So kann ein flexibel nutzbares Mikroskopsystem mit hoher Lichtempfindlichkeit bei kurzer Aufnahmedauer bereitgestellt werden.Particularly preferred are embodiments in which the microscope has a stand on which the microscope objective is arranged, in particular in a lens turret, wherein the stand has a first connection, in the region of which the tube lens and the intermediate image are arranged, and at least one further connection with a further tube lens and a further intermediate image, wherein the sample light can be guided to both outputs simultaneously or sequentially by means of at least one second beam splitter, in particular a repeatedly removable beam splitter, or by means of a mirror, wherein the first beam splitter, the detection optics, the sensor, the first and second beam deflection units, and a scanning optics are arranged within a module that is detachably mechanically and optically connected to one of the connections. In this way, a flexibly usable microscope system with high light sensitivity and a short acquisition time can be provided.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Mikroskop, -
2 die optischen Verhältnisse in dem Mikroskop, -
3 ein alternatives Mikroskop und -
4 Prinzipien des Steuer- und Synchronisationsregimes.
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1 a microscope, -
2 the optical conditions in the microscope, -
3 an alternative microscope and -
4 Principles of the control and synchronization regime.
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, corresponding parts have the same reference symbols.
Das Lasermodul 4 umfasst rein beispielhaft vier Laser 12 mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen, deren jeweilige Intensität mittels eines jeweiligen AOTF 13 einstellbar ist. Alternativ (nicht abgebildet) können einer oder mehrere der Laser direkt modulierbar sein. Ihr Beleuchtungslicht wird über Einkoppeloptiken 14 in Lichtleitfasern 15 eingekoppelt und zum Scanmodul 3 geleitet, wo es mittels beispielsweise längsverschieblicher Kollimatoren 16 kollimiert wird. Die Kollimatoren 16 können zur Kompensation von Farblängsfehlern und/oder zur Fokussierung des Beleuchtungslichts in unterschiedliche Tiefen des Probenraums P dienen. Alternativ (nicht abgebildet) können die unterschiedlichen Emissionswellenlängen beispielsweise schon im Lasermodul vereinigt werden, so dass nur eine einzelne Lichtleitfaser 15 benötigt wird und auf Kollimatoren 16 verzichtet werden kann. Über einen Spiegel 17 und einen Strahlvereiniger 18 gelangt das derart vereinigte Beleuchtungslicht zu einem Umlenkspiegel 19, welcher das Beleuchtungslicht so ablenkt, dass es, nachdem es einen Strahlformer 20, der beispielsweise einen phasenmodifizierenden räumlichen Lichtmodulator (SLM) und eine Zylinderlinse umfasst, passiert hat, auf die erste Strahlablenkeinheit 21, beispielsweise ein kontinuierlich zweidimensional einstellbares mikroelektromechanisches System (MEMS) mit Mikrospiegeln, fällt. Vom Strahlteiler 22 gelangt das Beleuchtungslicht über die Abtastoptik 23, das Zwischenbild ZB und eine der Tubuslinsen 6 zum Mikroskopobjektiv 5 und von dort in den Probenraum P. Da der Strahlformer 20 das Beleuchtungslicht in einer Dimension in die auf der Strahlablenkeinheit 21 liegende, mit der Pupille des Mikroskopobjektivs 5 konjugierte Ebene fokussiert, resultiert im Probenraum ein im Grundsatz linienförmiges Beleuchtungsfokusvolumen (Beleuchtungslinie). Mittels des SLM kann das Beleuchtungslicht so modifiziert werden, dass es auf der ersten Strahlablenkeinheit, die in der konjugierten Pupillenebene PE' angeordnet ist, zwei separate Punkte oder echt parallele Linien bildet, die im Probenraum so interferieren, dass das Beleuchtungsfokusvolumen entlang seiner längeren Ausdehnung (Längsrichtung der Beleuchtungslinie) mit einem periodisches Intensitätsmuster beleuchtet wird.The laser module 4 comprises, purely by way of example, four lasers 12 with different emission wavelengths, the respective intensity of which can be adjusted using a respective AOTF 13. Alternatively (not shown), one or more of the lasers can be directly modulated. Their illumination light is coupled via coupling optics. The light is coupled into optical fibers 15 by means of optical fibers 14 and guided to the scanning module 3, where it is collimated, for example, by means of longitudinally movable collimators 16. The collimators 16 can be used to compensate for longitudinal chromatic aberrations and/or to focus the illumination light into different depths of the sample space P. Alternatively (not shown), the different emission wavelengths can be combined, for example, in the laser module, so that only a single optical fiber 15 is required and collimators 16 can be dispensed with. Via a mirror 17 and a beam combiner 18, the thus combined illumination light reaches a deflecting mirror 19, which deflects the illumination light such that, after passing through a beam shaper 20, which comprises, for example, a phase-modifying spatial light modulator (SLM) and a cylindrical lens, it falls onto the first beam deflection unit 21, for example, a continuously two-dimensionally adjustable microelectromechanical system (MEMS) with micromirrors. From the beam splitter 22, the illumination light passes via the scanning optics 23, the intermediate image ZB, and one of the tube lenses 6 to the microscope objective 5 and from there into the sample chamber P. Since the beam shaper 20 focuses the illumination light in one dimension into the plane lying on the beam deflection unit 21, which is conjugate with the pupil of the microscope objective 5, a basically linear illumination focus volume (illumination line) results in the sample chamber. Using the SLM, the illumination light can be modified to form two separate points or truly parallel lines on the first beam deflection unit, which is arranged in the conjugate pupil plane PE', which interfere in the sample space in such a way that the illumination focus volume is illuminated with a periodic intensity pattern along its longer extension (longitudinal direction of the illumination line).
Probenlicht, insbesondere auch in der Probe durch das Beleuchtungslicht im Grundsatz linienförmig angeregte Fluoreszenz, gelangt auf dem umgekehrten Weg über das Zwischenbild ZB bis zum Strahlteiler 22. Der in der Probe und unterwegs dorthin reflektierte Anteil des Beleuchtungslichts wird durch den Strahlteiler 22, der beispielsweise als dichroitischer Kerbfilter (engl. „notch filter“) ausgestaltet ist und damit als Hauptfarbteiler wirkt, zurück zur ersten Strahlablenkeinheit 21 reflektiert. Im Probenlicht enthaltene Fluoreszenz wird, insbesondere aufgrund der Stokes-Verschiebung, durch den Strahlteiler 22 zur zweiten Strahlablenkeinheit 24, beispielsweise einem nur eindimensional kontinuierlich einstellbaren MEMS-Spiegel oder einem Galvanometerspiegel, transmittiert. Die das Probenlicht kollimierende erste Abtastoptik 23 ist so ausgebildet, dass einerseits auf der ersten Strahlablenkeinheit 21 und andererseits auf der zweiten Strahlablenkeinheit 24 eine zur Pupille PE des Mikroskopobjektivs 5 konjugierte Ebene PE'' liegt. Hinter der zweiten Strahlablenkeinheit 24 wird das Probenlicht durch eine Detektionsoptik 25 auf den zweidimensional ortsauflösenden Sensor 28, beispielsweise ein CMOS-Chip oder eine Matrix von einzelphotonenzählenden Lawinenphotodioden (SPAD-Array), fokussiert. In der Neutralstellung (Nullstellung) der zweiten Strahlablenkeinheit 24 fallen die optischen Achsen des Mikroskopobjektivs 5 und der Detektionsoptik 25 aufeinander. Der Sensor 28 weist eine elektronische Schlitzblende in Form eines „Rolling Shutters“ auf, deren Schlitzbreite einstellbar ist und die vollständig deaktivierbar ist. Die Beleuchtungslinie im Probenraum ist so ausgerichtet, dass sie parallel zu den Pixelzeilen des Sensors 28 (und damit parallel zur elektronischen Schlitzblende) auf diesen abgebildet wird.Sample light, in particular fluorescence essentially excited in the sample by the illumination light in a linear fashion, travels in the opposite direction via the intermediate image ZB to the beam splitter 22. The portion of the illumination light reflected in the sample and en route there is reflected back to the first beam deflection unit 21 by the beam splitter 22, which is configured, for example, as a dichroic notch filter and thus acts as the main color splitter. Fluorescence contained in the sample light is transmitted, particularly due to the Stokes shift, through the beam splitter 22 to the second beam deflection unit 24, for example, a one-dimensionally continuously adjustable MEMS mirror or a galvanometer mirror. The first scanning optics 23, which collimates the sample light, are designed such that a plane PE'' conjugate to the pupil PE of the microscope objective 5 lies on the one hand on the first beam deflection unit 21 and on the other hand on the second beam deflection unit 24. Behind the second beam deflection unit 24, the sample light is focused by a detection optics 25 onto the two-dimensional spatially resolving sensor 28, for example, a CMOS chip or a matrix of single-photon counting avalanche photodiodes (SPAD array). In the neutral position (zero position) of the second beam deflection unit 24, the optical axes of the microscope objective 5 and the detection optics 25 coincide. The sensor 28 has an electronic slit diaphragm in the form of a "rolling shutter," the slit width of which is adjustable and which can be completely deactivated. The illumination line in the sample chamber is aligned so that it is imaged parallel to the pixel rows of the sensor 28 (and thus parallel to the electronic slit diaphragm).
Eine Steuereinheit 29 mit einer Auswahleinheit 30 für beispielsweise vier unterschiedliche Betriebsmodi (mit weiteren Untermodi) ist elektrisch mit dem Stativ 2, dem „Add-Scan“-Modul 3 und dem Lasermodul 4 verbunden. Sie steuert einerseits die darin enthaltenen mechanischen und optischen Komponenten, andererseits empfängt sie Messwerte von den enthaltenen Sensoren, insbesondere vom Sensor 28.A control unit 29 with a selection unit 30 for, for example, four different operating modes (with further sub-modes) is electrically connected to the stand 2, the "add-scan" module 3, and the laser module 4. It controls the mechanical and optical components contained therein, and also receives measured values from the sensors contained therein, in particular from sensor 28.
Wählt der Benutzer den ersten Betriebsmodus („Add-Scan-Modus“) aus, aktiviert die die Steuereinheit 29 die elektronische Blende des Sensors 28 und bewegt das aus dem Probenraum kommende Probenlichtbündel mittels der zweiten Strahlablenkeinheit 24 so über den Sensor 28, dass das Zwischenbild ZB in Bewegungsrichtung vergrößert auf den Sensor 28 abgebildet wird, wobei sie die Bewegung der zweiten Strahlablenkeinheit 24 mit der Bewegung der ersten Strahlablenkeinheit 21 synchronisiert und beide mit beispielsweise identischer Winkelamplitude bewegt. Die Bewegung der Strahlablenkeinheiten 21, 24 wird von der Steuereinheit 29 zudem mit der Bewegung der elektronischen Schlitzblende des Sensors 28 synchronisiert, so dass diese als konfokale Blende wirkt und das Beleuchtungsfokusvolumen in die Schlitzblendenöffnung abgebildet wird.If the user selects the first operating mode ("Add-Scan Mode"), the control unit 29 activates the electronic diaphragm of the sensor 28 and moves the sample light beam coming from the sample chamber over the sensor 28 using the second beam deflection unit 24 such that the intermediate image ZB is projected onto the sensor 28, magnified in the direction of movement. The movement of the second beam deflection unit 24 is synchronized with the movement of the first beam deflection unit 21, and both are moved with, for example, identical angular amplitudes. The movement of the beam deflection units 21, 24 is also synchronized by the control unit 29 with the movement of the electronic slit diaphragm of the sensor 28, so that the latter acts as a confocal diaphragm and the illumination focus volume is imaged into the slit diaphragm opening.
Das auf der zweiten Strahlablenkeinheit 24 eintreffende Probenlicht weist dabei bereits einen vom Ursprungsort im Probenraum abhängigen Einfallswinkel (bezogen auf die optische Achse des Mikroskopobjektivs 5) auf. Die Synchronisation der ersten Strahlablenkeinheit 21 und der zweiten Strahlablenkeinheit 24 verstärkt diesen Effekt. Durch die identische Amplitude und die gewählte gleichphasige Schwingungsrichtung weist das von der zweiten Strahlablenkeinheit 24 reflektierte Probenlicht einen doppelt so großen Winkel bezogen auf die optische Achse der Detektionsoptik 25 auf. In einem herkömmlichen System betrüge dieser Winkel wegen des dortigen Enttastens Null, das Probenlichtbündel würde ruhen.The sample light arriving at the second beam deflection unit 24 already has an angle of incidence (relative to the optical axis of the microscope objective 5) that depends on its origin in the sample chamber. The synchronization of the first beam deflection unit 21 and the second beam deflection unit 24 reinforces this effect. Due to the identical amplitude and the selected in-phase oscillation direction, the sample light reflected by the second beam deflection unit 24 has an angle twice as large. relative to the optical axis of the detection optics 25. In a conventional system, this angle would be zero due to the de-sensing there, and the sample light beam would be at rest.
Aus der Vergrößerung des Winkels resultiert eine eindimensionale Vergrößerung quer zur Beleuchtungslinie, im Falle einer Verdopplung durch identische Amplituden der Strahlablenkeinheiten 21/24 eine „nichtoptische“ anisotrope Vergrößerung um den Faktor Mmech=2, die zu einer eventuellen rein optischen (typischerweise isotropen) Vergrößerung Mopt durch die Detektionsoptik 25 in Verbindung mit der Abtastoptik 23 hinzukommt. Das führt einerseits zu einer entsprechenden Verbreiterung der Punktabbildungsfunktion (PSF), andererseits aber auch dazu, dass der Abstand zweier auf den Sensor 28 abgebildeter Punkte des Probenraums auf dem Sensor 28 stärker vergrößert wird als die Breite der PSF zunimmt, was einem „Re-Assignment“ oder „Re-Scanning“ entspricht. Das am Sensor 28 aufgenommene Bild muss in der Richtung quer zur Beleuchtungslinie eindimensional um den Faktor Mmech gestaucht (rückprojiziert) werden, um die Proportionen des Probenraums korrekt wiederzugeben. Da die abgebildeten Punkte stärker gespreizt wurden als die PSF verbreitert war, verbleibt trotz der Stauchung in der Querrichtung eine bessere Auflösung als in einer vergleichbaren beugungsbegrenzten Weitfeldabbildung - unmittelbar optisch-mechanisch ohne komplexe Rekonstruktionsberechnungen. Die Auflösung in Längsrichtung der Beleuchtungslinie wird hingegen insoweit nicht beeinflusst.Increasing the angle results in a one-dimensional magnification perpendicular to the illumination line; in the case of doubling due to identical amplitudes of the beam deflection units 21/24, a "non-optical" anisotropic magnification by a factor of M mech = 2, which is added to any purely optical (typically isotropic) magnification M opt provided by the detection optics 25 in conjunction with the scanning optics 23. This leads, on the one hand, to a corresponding broadening of the point-to-point distribution function (PSF), but, on the other hand, also to the distance between two points of the sample space imaged onto the sensor 28 being increased on the sensor 28 by a greater amount than the width of the PSF increases, which corresponds to "re-assignment" or "re-scanning." The image recorded at the sensor 28 must be compressed (back-projected) one-dimensionally by a factor of M mech in the direction perpendicular to the illumination line in order to correctly reproduce the proportions of the sample space. Because the imaged points were spread more than the PSF was widened, despite the compression in the transverse direction, a better resolution remains than in a comparable diffraction-limited wide-field image – directly optically and mechanically, without complex reconstruction calculations. The resolution in the longitudinal direction of the illumination line, however, is not affected.
Die zweite Strahlablenkeinheit 24 wirkt in der Richtung quer zur Beleuchtungslinie folgendermaßen. Die Abbildung B eines fluoreszierenden Objektes O(xO, yO) im Probenraum in der objektseitigen Brennebene des Mikroskopobjektivs auf den Sensor 28 kann mit einer Faltung beschrieben werden, wobei die optische Vergrößerung ohne Beschränkung der Allgemeinheit als Mopt=1 angenommen werden kann:
Hierbei ist Hem(xD - xO, yD - yO) die Intensitätspunktabbildungsfunktion für die Abbildung von Objekten in der Objektebene in die Detektionsebene auf dem Sensor 28. Die Koordinaten mit dem Index O beschreiben den Probenraum, die Koordinaten mit dem Index D den Bildraum auf dem Sensor 28.Here, H em (x D - x O , y D - y O ) is the intensity point mapping function for the imaging of objects in the object plane into the detection plane on the sensor 28. The coordinates with the index O describe the sample space, the coordinates with the index D the image space on the sensor 28.
Das Abtasten des Objektes Ô(xO, yO) mit der fluoreszenzanregenden Beleuchtungslinie am Ort xO/yO führt dann zu:
Einsetzen in Gleichung (1) ergibt:
Mit der Integration über den Abtastvektor xS quer zur Längsrichtung der Beleuchtungslinie resultiert ein Weitfeldbild. Unter Hinzunahme der eindimensional konfokalen elektronischen Blende D(x), ebenfalls an der Stelle xS, ergibt sich:
Anhand dieser Gleichungen kann hergeleitet werden, dass die PSF dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Längsrichtung der Beleuchtungslinie eine Bildgebung wie im Weitfeldfall vorliegt, während in der Richtung der Wirkung der konfokalen elektronischen Blende (also quer zur Beleuchtungslinie) das Punktbild einer Faltung der Anregungs-PSF mit der Spaltfunktion D entspricht:
Für eine Konfokalblende mit D(x) = δ(x) folgt auch hier wieder die vollkonfokale PSF, während bei einer offenen Blende mit D(x) ≡ 1 die Faltung eine Konstante ergibt und das Bild des Punktemitters der Emissions-PSF entspricht.For a confocal aperture with D(x) = δ(x), the fully confocal PSF follows again, while for an open aperture with D(x) ≡ 1, the convolution results in a constant and the image of the point emitter corresponds to the emission PSF.
Um die Gleichungen kompakt zu halten, wird nachfolgend die Bildgebung für den Fall der zweiten Strahlablenkeinheit 24 nur in der betroffenen Variable dargestellt. Entlang der Richtung yD längs der Beleuchtungslinie (und längs der durch die jeweilige Sensorzeile gebildeten elektronischen Blende) kann das Punktbild weiterhin durch eine Weitfeldbildgebung beschrieben werden.To keep the equations compact, the imaging for the case of the second beam deflection unit 24 is shown below only in the affected variable. Along the direction y D along the illumination line (and along the electronic aperture formed by the respective sensor row), the point image can still be described by wide-field imaging.
Die zweite Strahlablenkeinheit 24 führt zu einer Verschiebung der Detektions-PSF um einen zweiten Abtastvektor
Die effektive Intensitäts-PSF ist gegeben durch:
Damit ergibt sich schließlich für Mmech = 2:
Verallgemeinert auf den zweidimensionalen Fall gilt:
Zur Auflösungssteigerung in der Längsrichtung der Beleuchtungslinie kann die zusätzliche strukturierte Beleuchtung (durch Intensitätsmodulation längs der Linie) dienen. Die Steuereinheit 29 stellt die erste Strahlablenkeinheit 21 in mindestens drei unterschiedliche Stellungen entlang der Längsrichtung der Beleuchtungslinie, so dass benachbarte resultierende Positionen (Phasenlagen) im Probenraum um weniger als eine Periodenlänge der intensitätsmodulierten Lichtverteilung voneinander beabstandet sind und erstellt für jede der Stellungen ein separates Rohbild des Probenraums. Zweckmäßigerweise wird der interessierende Bereich des Probenraums für jede dieser Phasenlagen des Beleuchtungsmusters zunächst vollständig abgetastet und ein jeweiliges Rohbild mit eindimensional (quer zur Linie) erhöhter Auflösung erstellt. Dieser Ablauf wird mit der zweiten Phasenlage und mit der dritten Phasenlage jeweils wiederholt. Aus den drei Rohbildern wird dann gemäß dem SIM-Verfahren ein Ergebnisbild mit erhöhter Auflösung errechnet. Die oben beschriebene Stauchung um Mmech quer zur Beleuchtungslinie zur Rückprojektion kann dabei vor oder nach der SIM-Rekonstruktion (beispielsweise umfassend Transformieren der Rohbilder in den Frequenzraum, Separieren von Ordnungs-Raumfrequenzspektren und Verschieben der Ordnungs-Raumfrequenzspektren im Frequenzraum sowie Rücktransformieren in den Ortsraum, siehe beispielsweise
Unter Kombination der Strukturierung der Beleuchtungslinie für eine 2D-SIM-Beleuchtung entlang der Längsrichtung der Linie (und der elektronischen Pixelzeilenblende) und der Zusatzabtastung mit Mmech=2 resultiert die effektive PSF:
Diese PSF kann insbesondere für eine die Auflösung weiter verbessernde Entfaltung verwendet werden.This PSF can be used in particular for deconvolution that further improves resolution.
Wählt der Benutzer den zweiten Betriebsmodus, aktiviert die Steuereinheit 29 die elektronische Blende, synchronisiert die Bewegung der ersten Strahlablenkeinheit 21 und die Bewegung der elektronischen Blende, hält aber die zweite Strahlablenkeinheit 24 konstant in ihrer Neutralstellung und deaktiviert die Intensitätsmodulation. Dieser Modus erlaubt Bildaufnahmen wie mit einem herkömmlichen linienabtastenden konfokalen Mikroskop. Im dritten Betriebsmodus deaktiviert die Steuereinheit 29 die elektronische Blende und hält die zweite Strahlablenkeinheit 24 ebenfalls in ihrer Neutralstellung. Damit sind herkömmliche Weitfeldbildaufnahmen möglich. Der Benutzer kann hierbei alternativ zu den Lasern 12 die Lampe 11 als Weitfeldlichtquelle verwenden.If the user selects the second operating mode, the control unit 29 activates the electronic shutter, synchronizes the movement of the first beam deflection unit 21 and the movement of the electronic shutter, but keeps the second beam deflection unit 24 constantly in its neutral position and deactivates intensity modulation. This mode allows image acquisition as with a conventional line-scanning confocal microscope. In the third operating mode, the control unit 29 deactivates the electronic shutter and also keeps the second beam deflection unit 24 in its neutral position. This enables conventional wide-field image acquisition. The user can use the lamp 11 as a wide-field light source as an alternative to the lasers 12.
In einem vierten wählbaren Betriebsmodus deaktiviert die Steuereinheit 29 die elektronische Blende und betreibt die erste und zweite Strahlablenkeinheit 21, 24 wie im ersten Betriebsmodus. Dieser Modus erlaubt die Nutzung des „Add-Scan“-Verfahrens mit geringerer Unterdrückung des außerfokalen Lichts. Auch die Errechnung des Ergebnisbildes aus den strukturierten Rohbildern unterdrückt jedoch außerfokales Lichts zu einem gewissen Grad. Da eine Blende nicht zwingend nötig ist, kann auch ein Sensor 28 ohne eine solche eingesetzt werden.In a fourth selectable operating mode, the control unit 29 deactivates the electronic shutter and operates the first and second beam deflection units 21, 24 as in the first operating mode. This mode allows the use of the "add-scan" method with less suppression of out-of-focus light. However, the calculation of the resulting image from the structured raw images also suppresses out-of-focus light to a certain degree. Since a shutter is not absolutely necessary, a sensor 28 can also be used without one.
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Mikroskopmicroscope
- 22
- Stativtripod
- 33
- „Add-Scan“-Modul“Add-Scan” module
- 44
- LasermodulLaser module
- 55
- Mikroskopobjektivmicroscope objective
- 66
- TubuslinsenTube lenses
- 77
- AusgangExit
- 88
- 99
- Strahlteilerbeam splitter
- 1010
- Okulareyepiece
- 1111
- Lampelamp
- 1212
- LaserLaser
- 1313
- AOTFAOTF
- 1414
- EinkoppeloptikCoupling optics
- 1515
- Lichtleitfaseroptical fiber
- 1616
- KollimatorCollimator
- 1717
- SpiegelMirror
- 1818
- StrahlvereinigerBeam combiner
- 1919
- UmlenkspiegelDeflecting mirror
- 2020
- StrahlformerBeam former
- 2121
- Erste StrahlablenkeinheitFirst beam deflection unit
- 2222
- HauptstrahlteilerMain beam splitter
- 2323
- Abtastoptikscanning optics
- 2424
- Zweite StrahlablenkeinheitSecond beam deflection unit
- 2525
- DetektionsoptikDetection optics
- 2626
- Nebenfarbteilersecondary color splitter
- 2727
- 2828
- Sensorsensor
- 2929
- SteuereinheitControl unit
- 3030
- Auswahleinheitselection unit
- 3131
- Laser-Scanning-ModulLaser scanning module
- 3232
- Abtastoptikscanning optics
- 3333
- HauptstrahlteilerMain beam splitter
- 3434
- Schlitzblendeslit aperture
- 3535
- ZeilendetektorLine detector
- PP
- Probenraumrehearsal room
- ZBE.g.
- ZwischenbildIntermediate image
- PEPE
- PupillenebenePupillary plane
- PE'(')PE'(')
- Konjugierte PupillenebeneConjugate pupil plane
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- EP 1 617 258 A1 [0003]EP 1 617 258 A1 [0003]
- WO 2006/008637 A1 [0021]WO 2006/008637 A1 [0021]
- DE 10 2021 134 427 A1 [0033]DE 10 2021 134 427 A1 [0033]
- DE 10 2023 005 252 A1 [0033]DE 10 2023 005 252 A1 [0033]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Shen et al., in Advanced Photonics Nexus 2023, Bd. 2 (1), S. 016009-1 [0056]Shen et al., in Advanced Photonics Nexus 2023, Vol. 2 (1), p. 016009-1 [0056]
- C. J. R. Sheppard: „Superresolution in Confocal Imaging“ in Optik 1988, Bd. 80, S. 53 [0056]C. J. R. Sheppard: “Superresolution in Confocal Imaging” in Optik 1988, Vol. 80, p. 53 [0056]
- Shen et al., in Advanced Photonics Nexus 2023, Bd. 2 (1), S. 016009-1, Abschnitte 2.1 und 2.2 [0058]Shen et al., in Advanced Photonics Nexus 2023, Vol. 2 (1), p. 016009-1, Sections 2.1 and 2.2 [0058]
- Neil et al.: „Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope“ in Optics Letters 1997, Bd. 22, Nr. 24, S. 1905 [0058]Neil et al.: “Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope” in Optics Letters 1997, Vol. 22, No. 24, p. 1905 [0058]
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Also Published As
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|---|---|
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