WO2006102861A1 - Scan microscope and phase contrast microscopy method - Google Patents

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WO2006102861A1
WO2006102861A1 PCT/DE2006/000397 DE2006000397W WO2006102861A1 WO 2006102861 A1 WO2006102861 A1 WO 2006102861A1 DE 2006000397 W DE2006000397 W DE 2006000397W WO 2006102861 A1 WO2006102861 A1 WO 2006102861A1
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sample
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illumination light
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Werner Knebel
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Leica Microsystems Cms Gmbh
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    • G02B21/14Condensers affording illumination for phase-contrast observation

Definitions

  • the present invention relates to a scanning microscope, in particular confocal scanning microscope, with a light source for generating an illumination light, with a lens for guiding the illumination light to a sample plane of a sample and a position detector for measuring the caused by the sample lateral deflection of an illuminated light passed through the sample. Furthermore, the invention relates to a method for phase contrast microscopy with such a scanning microscope.
  • US Pat. No. 4,745,270 discloses a scanning microscope in which a phase contrast with respect to a sample is examined by means of a position detector arranged in the beam path after the sample.
  • a position detector arranged in the beam path after the sample.
  • an illumination light is guided via an objective to a sample plane of a sample and a lateral deflection of the illumination light which has passed through the sample is determined by means of the position detector.
  • phase contrast method according to Zernecke
  • Hoffman modulation contrast method see, for example, DE 39 26 199 A1
  • DODT contrast method which is known from DE 195 14 358 C2.
  • a segment aperture is arranged in a Fourier plane and a segment polarization optics in the Hoffman method.
  • the biology preferred method is Differential Interference Contrast (DIC).
  • DIC Differential Interference Contrast
  • Nomarski G. Nomarski, J. Rad. Phys. 16 (1955) 9.
  • the differential interference contrast method the linearly polarized illumination light in front of the objective is transformed into two linearly polarized partial beams by means of a Wolfaston prism, the polarization directions being perpendicular to one another have, spatially split.
  • the partial beams pass through the sample in slightly different ways to be united after the condenser by means of a second Wollaston prism.
  • the two partial beams have covered optical path lengths of different lengths, this is manifested after the beam combination in the polarization properties of the reunited light beam-as a rule elliptically polarized light-which can be detected with the aid of a polarizer as the analyzer.
  • the differential interference contrast method is disadvantageous in birefringent samples due to the polarization-influencing effect of these samples is not or only very limited use, since among other things in the image analysis is indistinguishable, whether the signals on the sample birefringence or on a variation of the refractive index within the Sample are due.
  • the use of birefringent sample containers or birefringent slides, such as plastic, is not possible.
  • the above object is achieved by a scanning microscope having the features of patent claim 1.
  • the scanning microscope of the aforementioned type is configured and further developed such that at least one objective is arranged on both sides of the sample plane and that at least two mutually opposite with respect to the sample plane lenses are directed towards each other, so that guided through an objective to the sample illumination light through the opposite lens can be captured and can be guided as a detection light to the position detector.
  • the above object is achieved in a surprisingly simple manner by the guidance of the illumination light which has passed through the sample via a further objective to the position detector.
  • at least one objective is arranged on both sides of the sample plane for this purpose, wherein at least two lenses lying opposite one another with respect to the sample plane are directed toward one another. Illumination light guided through a lens to the sample can thus be picked up by the opposing objective and guided as a detection light to the position detector.
  • a particularly high resolution is achieved, regardless of the thickness of the sample, in particular in living biological specimens, and furthermore the examination of polarization-influencing - in particular birefringent - specimens is made possible. Consequently, a scanning microscope is specified with the scanning microscope according to the invention, according to which a particularly high resolution is achieved with structurally simple means.
  • a further improvement of the resolution can be achieved if the illuminating light is guided through two lenses which lie opposite one another and are directed towards one another with respect to the sample plane and are collected by the respectively opposite objective and guided as a detection light to the position detector becomes.
  • the illumination light is guided not only by an objective, but by two lenses which lie opposite one another with respect to the sample plane and which are directed towards one another.
  • the sample is illuminated from two sides.
  • the illumination light of the one lens that has passed through the sample is thereby picked up by the respectively opposite objective and guided as a detection light to the position detector.
  • the position detector receives both the detection light which has been picked up by the one objective and the detection light which has been picked up by the opposing objective.
  • a detection pinhole could be arranged in the beam path of the detection light in front of the position detector. With such a detection pinhole can be ensured that only detection light, which is modulated in the focus of the lenses by the sample passes through the detection pinhole and thus on the position detector. Both in the case of one-sided illumination of the sample and in the case of the alternative illumination of the sample on both sides, a very narrow focus point can be viewed. This advantage results in particular in a confocal operation of the scanning microscope. Finally, detection light portions that do not originate from the desired narrow focus area are filtered out by the detection pinhole.
  • a beam splitter could be arranged in the beam path of the illumination light in front of the objective or in front of the objectives.
  • the beam splitter serves for splitting the illumination light and for combining the detection light.
  • a scanning device could be arranged in the beam path of the illumination light in front of the objective or the objectives.
  • a scanning device can be realized by mirrors.
  • the illumination light which has passed through the sample could be feasible as detection light via the scanning device and / or a further scanning device can be guided to the position detector.
  • the position detector could be an RDC detector - ret ractive differential contrast detector.
  • the position detector could comprise a plurality of individual detectors which have a substantially smaller optically effective detection area than the cross-sectional area of a detection light beam.
  • the individual detectors could be arranged in a row or in an array or in a matrix. In this case, a photodiode line or a photodiode array is suitable.
  • the position detector could comprise a photomultiplier.
  • a photomultiplier In this case, a multi-channel or multi-anode photomultiplier would be particularly advantageous.
  • the photomultiplier could be formed in a further advantageous manner as a resistive anode photomultiplier.
  • the position detector could have a microchannel PIate.
  • the position detector could have at least one CCD chip or a position-sensitive detector - PSD.
  • the position detector could have a substantially continuous point resolution function.
  • the position detector could advantageously be designed as a PSD position sensitive detector or device.
  • a position sensitive detector - PSD - works much like a standard photodiode. The light falling on the active area generates a photocurrent that flows in the direction of the p and n areas. Unlike a photodiode, however, a PSD has multiple electrical contacts. This results in a division of the photocurrent under the contacts as a function of the position of the light spot. The position is determined by forming the current difference between two opposing contacts.
  • a one-dimensional PSD allows continuous positioning of a light spot along an axis.
  • the position detector has a two-dimensional PSD, which enables a continuous position determination along two axes - for example X and Y direction.
  • the shear direction could be rotated by preferably electronically processing the signals of the first and second dimensions.
  • by swapping the signals a 90 ° rotation of the shear direction is achieved.
  • weighting the signals of the first and second dimensions to achieve a rotation of the shear direction by an arbitrary angle.
  • the position detector could be coupled to an electronic processing device, wherein an AC coupling is particularly advantageous.
  • logarithmic current-voltage converters are provided for eliminating the image-impairing consequences of fluctuations in the light output of the illumination light, as occur, for example, when using gas lasers, in order to further process the signals of the position detector in the context of the processing device.
  • the processing device could have at least one logarithmic current-voltage converter.
  • the use of logarithmic current-voltage converters is particularly advantageous, and in the variant in which the position detector has a PSD, advantageously after the current-voltage conversion, the difference of the signals with respect to the two measuring directions is generated.
  • This variant is particularly advantageous for simultaneously recording a phase contrast image and at least one fluorescence image of the sample.
  • a phase contrast image could be recorded by means of the position detector, wherein at the same time other observation techniques could be used, for example in the context of two-photon excitation, FRET or CARS.
  • the simultaneous recording of a fluorescence and a phase contrast image makes it possible, for example, to position micropipettes or micro-patch clamps visually in a fluorescence sample.
  • the position detector is - as already mentioned - coupled to an electronic processing device.
  • the coupling is preferably an AC coupling, whereby the requirement for the centering of the position detector with respect to the optical axis is considerably reduced, since in such an arrangement systematic lateral shelves do not manifest themselves in an offset current.
  • the position detector is arranged in a plane conjugate to the sample plane or focal plane-Fourier plane.
  • the focused illuminating light cone emerging from the microscope objective is deflected by the phase object in the focal plane of the objective, so that the divergent cone emanating from the focal plane has a rather tilted central axis with respect to the incident illumination light cone.
  • the degree of tilt is a direct measure of the variation in refractive index at the location of the pixel to be observed.
  • this tilting of the central axis acts as a parallel displacement of the collimated illuminating light beam passing through the sample. It is particularly advantageous to position the position detector in such a conjugate plane to measure the generated parallel displacement there.
  • a DIC optics - differential interference contrast optics - could be arranged in the beam path.
  • a Wollaston prism could be arranged in the beam path in front of the objective or the objectives and after the sample.
  • the scanning microscope could be a 4Pi microscope.
  • a confocal transmission image can be generated.
  • the scanning microscope according to the invention can be generated from a phase information - such as refractive differences - an amplitude contrast without disturbing background information.
  • the transmitted light can be collected again with the aid of the second objective, the raster process can be canceled again via the return path via the scanning mirror and thus the light can be focused onto the detection pinhole.
  • Light that has been scattered, broken or bent in the sample is filtered out at the pinhole. This allows a completely new view of the transmission images, with only information from the focal plane being displayed. The blur from the other focal planes is suppressed by the detection pinhole.
  • the above object is further achieved by a method for phase contrast microscopy with the features of claim 24.
  • the method is configured such that in each case at least one objective is arranged on both sides of the sample plane and that at least two mutually opposite with respect to the sample plane lenses are directed towards each other, so that guided by a lens to the sample illumination light collected by the opposite lens and as Detection light is guided to the position detector.
  • the illumination light could be guided by two mutually opposite with respect to the sample plane and facing each other lenses and collected by the respective opposite lens and guided as a detection light to the position detector.
  • a phase contrast image could be recorded by means of the position detector, wherein simultaneously a phase contrast image and at least one fluorescence image could be recorded.
  • FIG. 1 in a schematic representation of an embodiment of a scanning microscope according to the invention
  • FIG. 2 shows a further schematic representation of a processing device connected to the scanning microscope with a monitor.
  • Fig. 1 shows a scanning microscope according to the invention with a light source 1, which is designed as a multi-line laser.
  • the scanning microscope is designed as a confocal scanning microscope.
  • the light source 1 generates an illumination light 2, which is focused by an optical system 3 on a illumination pinhole 4.
  • the illumination light 2 which has passed through the illumination pinhole 4 passes to a main beam splitter 5 and is directed by the latter via a further optical system 6 to a scanning device 7, which has a gimbal-mounted scanning mirror 8.
  • the scanning device 7 directs the illumination light 2 through a scanning optical system 9, via a deflection mirror 12, through a tube optical system 14, via a deflection mirror 15 and through an objective 17 to a sample 19, which may be a brain section, for example.
  • the pupil of the objective 17 is identified by the reference numeral 16.
  • Optics 10 and 11 are necessary for the adaptation of the 4Pi module to the confocal beam path, with a beam splitter 13 dividing the illumination light 2 in the direction of the objective 17 and / or 21.
  • the 4Pi module which can be flanged to the remaining components of the scanning microscope, is essentially formed by the beam splitter 13 and the components provided in the subsequent beam path, in particular optics 14 and 24 as well as objectives 17 and 21.
  • the sample 19 is located on a slide 20 and is optically coupled to the lens 17 with a first immersion agent 18, which may be, for example, water, glycerol or oil.
  • a further immersion agent which may be, for example, water, oil or glycerol.
  • the objective 21 collimates the illumination light beam 2 passed through the sample 19 in a plane 25 corresponding to the rear focal plane 22 of the objective 21 and in a further corresponding plane 29 via a deflection mirror 23 by means of a lens 24, the optics 11 and 10, the scanning optics 9, the optics 6 and another lens 27th
  • a position detector 28 is arranged, which is designed as a position-sensitive device (PSD).
  • PSD position-sensitive device
  • the position detector 28 measures the lateral deflection of the illumination light 2 caused by the sample 19, which shows at the location of the position detector 28 in a substantially parallel displacement of the collimated illumination light 2 passing through the sample 19.
  • the position detector 28 detects the lateral deflection in two dimensions - X- and Y-direction -, wherein in the figure 1 for the sake of clarity, only the wiring is shown for a dimension.
  • the Position Sensitive Device has two contacts, each connected to a logarithmic current-to-voltage converter.
  • the signals of the two logarithmic current-voltage converter are passed to a differential amplifier and forwarded the output signal generated by this to a PC for further image processing and display.
  • the PC is not shown in FIG. 1 for the sake of clarity.
  • the logarithmic current-voltage converters and the differential amplifier are part of an electronic processing device 30.
  • the model two L4SP from the company Sitek can be used as a position-sensitive device.
  • the scanning microscope shown in Figure 1 can ultimately be operated in two ways.
  • the illumination light 2 can only be guided through an objective 17 or 21 and, after its passage through the sample 19, can then be picked up by the other objective 21 or 17 and guided to the position detector 28.
  • an illumination can be effected via both objectives 17 and 21 and then a corresponding collection of the detection light which has passed through the sample 19 through the corresponding objectives 21 and 17.
  • the detection light is processed by means of the position detector 28 and by means of the processing device 30.
  • the illuminating light 2 emanating from the light source 1 additionally comprises a wavelength component for the optical fluorescence excitation of the sample 19.
  • the fluorescent light emanating from the specimen 19 passes through the objective 17 and / or the objective 21, the tube optics 14 and / or 24, the scanning optics 9 as well the further optics 11 and 10 via the scanning device 8 and the optics 6 to the main beam splitter 5.
  • the fluorescent light passes through the main beam splitter 5 and the subsequent detection pinhole 26 and finally passes through another beam splitter 31 to a detector 32 which is designed as a photomultiplier or APD.
  • the detector 32 generates electrical, proportional to the power of the fluorescent light signals, which are also given to further image processing and presentation to the PC, not shown.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the lens 27, the position detector 28 and the processing device 30, wherein a control unit 33 and a monitor 34 are coupled to the processing device 30.
  • a phase contrast image and / or a fluorescence image of the sample 19 can be viewed via the monitor 34.

Abstract

A scan microscope, especially a confocal scan microscope, comprises a light source (1) for producing an illumination light (2), a lens system (17, 21) for guiding the illumination light (2) to a sample plane of a sample (19), and a position detector (28) for measuring the lateral deflection, caused by the sample (19), of an illumination light passing through the sample (19). In order to allow for an especially high dissolution, at least one lens system (17, 21) is arranged on each side of the sample plane and at least two lens systems (17, 21) which are opposite each other in relation to the sample plane are directed towards each other in such a manner that the illumination light (2) guided through the lens (17, 21) towards the sample (19) can be collected by the opposite lens system (21, 17) and guided to the position detector (28) as the detection light. The invention also relates to a phase contrast microscopy method using the inventive scan microscope.

Description

SCANMIKROSKOP UND EIN VERFAHREN ZUR PHASENKONTRASTMIKROSKOPIE SCAN MICROSCOPE AND A METHOD FOR PHASE CONTRAST MICROSCOPY
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Scanmikroskop, insbesondere konfokales Scanmikroskop, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts, mit einem Objektiv zur Führung des Beleuchtungslichts zu einer Probenebene einer Probe und einem Positionsdetektor zum Messen der durch die Probe hervorgerufenen lateralen Ablenkung eines durch die Probe hindurchgetretenen Beleuchtungslichts. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie mit einem derartigen Scanmikroskop.The present invention relates to a scanning microscope, in particular confocal scanning microscope, with a light source for generating an illumination light, with a lens for guiding the illumination light to a sample plane of a sample and a position detector for measuring the caused by the sample lateral deflection of an illuminated light passed through the sample. Furthermore, the invention relates to a method for phase contrast microscopy with such a scanning microscope.
Aus der US 4 745 270 ist ein Scanmikroskop bekannt, bei dem ein Phasenkontrast bezüglich einer Probe mittels eines im Strahlengang nach der Probe angeordneten Positionsdetektors untersucht wird. Dabei wird ein Beleuchtungslicht über ein Objektiv zu einer Probenebene einer Probe geführt und eine laterale Ablenkung des durch die Probe hindurchgetretenen Beleuchtungslichts mittels des Positionsdetektors bestimmt.US Pat. No. 4,745,270 discloses a scanning microscope in which a phase contrast with respect to a sample is examined by means of a position detector arranged in the beam path after the sample. In this case, an illumination light is guided via an objective to a sample plane of a sample and a lateral deflection of the illumination light which has passed through the sample is determined by means of the position detector.
Proben aus lebendem Material, wie beispielsweise Zellen, Zellkulturen und Gewebeschnitte, lassen die Amplitude des Lichts praktisch unverändert. Eine für die Hellfeldbeobachtung notwendige Anfärbung dieser Proben ist schwer oder überhaupt nicht möglich, da dieser Eingriff tiefgreifende Veränderungen am Objekt zufolge hätte. Bei derartigen Präparaten beeinflussen lokale Unterschiede im Brechungsindex die Phasenlage der Lichtwelle und man spricht von Phasenobjekten. Mit optischen Kontrastierverfahren, wie Dunkelfeld-, Phasen- und Interferenzkontrast-Verfahren können auch Phasenobjekte beobachtet werden.Samples of living material, such as cells, cell cultures and tissue sections, leave the amplitude of the light virtually unchanged. It is difficult or even impossible to stain these samples, which is necessary for bright field observation, as this intervention would have profound changes to the object. In such preparations, local differences in the refractive index influence the phase position of the light wave and one speaks of phase objects. With optical contrasting methods, such as dark field, phase and interference contrast methods, phase objects can also be observed.
Gebräuchlich sind verschiedene Kontrastierverfahren, beispielsweise das Phasen- kontrastverfahren nach Zernecke, das Hoffman-Modulations-Kontrastverfahren (siehe beispielsweise DE 39 26 199 A1) oder das DODT-Kontrastverfahren, das aus der DE 195 14 358 C2 bekannt ist.Various contrasting methods are customary, for example the phase contrast method according to Zernecke, the Hoffman modulation contrast method (see, for example, DE 39 26 199 A1) or the DODT contrast method, which is known from DE 195 14 358 C2.
Beim DODT-Verfahren ist in einer Fourierebene eine Segmentblende und beim Hoffman-Verfahren eine Segment-Polarisationsoptik angeordnet. Das in der Biologie bevorzugte Verfahren ist das differenzielle Interferenzkontrast- Verfahren (DIC; Differential Interference Contrast). Nach Nomarski (G. Nomarski, J. Rad. Phys. 16 (1955) 9.) Beim differenziellen Interferenz-Kontrastverfahren wird das linear polarisierte Beleuchtungslicht vor dem Objektiv mit Hilfe eines Wolfaston- Prismas in zwei linear polarisierte Teilstrahlen, die senkrecht zueinander liegende Polarisationsrichtungen aufweisen, räumlich aufgespalten. Die Teilstrahlen durchlaufen die Probe auf leicht unterschiedlichen Wegen, um nach dem Kondensor mit Hilfe eines zweiten Wollaston-Prismas vereinigt zu werden. Haben die beiden Teilstrahlen unterschiedlich lange optische Weglängen zurückgelegt, so äußert sich dies nach der Strahlvereinigung in den Polarisationseigenschaften des wiedervereinigten Lichtstrahls - in der Regel elliptisch polarisiertes Licht -, die mit Hilfe eines Polfilters als Analysator detektiert werden können.In the DODT method, a segment aperture is arranged in a Fourier plane and a segment polarization optics in the Hoffman method. The biology preferred method is Differential Interference Contrast (DIC). According to Nomarski (G. Nomarski, J. Rad. Phys. 16 (1955) 9.) In the differential interference contrast method, the linearly polarized illumination light in front of the objective is transformed into two linearly polarized partial beams by means of a Wolfaston prism, the polarization directions being perpendicular to one another have, spatially split. The partial beams pass through the sample in slightly different ways to be united after the condenser by means of a second Wollaston prism. If the two partial beams have covered optical path lengths of different lengths, this is manifested after the beam combination in the polarization properties of the reunited light beam-as a rule elliptically polarized light-which can be detected with the aid of a polarizer as the analyzer.
Das differenzielle Interferenz-Kontrastverfahren (DIC) ist nachteiligerweise bei doppelbrechenden Proben aufgrund der polarisationsbeeinflussenden Wirkung dieser Proben nicht oder nur sehr eingeschränkt einsetzbar, da unter anderem bei der Bildauswertung nicht unterscheidbar ist, ob die Signale auf die Probendoppelbrechung oder auf eine Variation des Brechungsindex innerhalb der Probe zurückzuführen sind. Ebenso ist die Verwendung von doppelbrechenden Probenbehältnissen oder doppelbrechenden Objektträgern, beispielsweise aus Plastik, nicht möglich.The differential interference contrast method (DIC) is disadvantageous in birefringent samples due to the polarization-influencing effect of these samples is not or only very limited use, since among other things in the image analysis is indistinguishable, whether the signals on the sample birefringence or on a variation of the refractive index within the Sample are due. Likewise, the use of birefringent sample containers or birefringent slides, such as plastic, is not possible.
Aus T. Wilson, „Enhanced differential phase contrast imaging in scanning microscopy using a quadrant detector", Optik, 80, No. 4 (1987) 167-170, ist bekannt, die Winkelablenkung eines fokussierten Laserstrahls als Funktion der Fokusposition mit einem Quadrantendetektor zu messen, um eine Phasenkontrastabbildung zu erzielen. Dieses Verfahren liefert nur dann verwendbare Ergebnisse, solange die Strahlintensität während des Abscannens der Probe weitgehend konstant bleibt. Die optischen Auflösungseigenschaften bei diesem Verfahren sind bei dicken Proben sehr viel schlechter, als beim differenziellen Interferenz-Kontrastverfahren, so dass dieses Verfahren - so weit es sich überhaupt verbreitet hat - ausschließlich bei sehr dünnen Proben eine Anwendung finden kann. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Scanmikroskop sowie ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie mit einem derartigen Scanmikroskop anzugeben, wonach eine besonders hohe Auflösung mit konstruktiv einfachen Mitteln erreicht ist.From T. Wilson, "Enhanced differential phase contrast imaging in scanning microscopy using a quadrant detector", Optics, 80, No. 4 (1987) 167-170, is known, the angular deflection of a focused laser beam as a function of the focus position with a quadrant detector to This method provides usable results only as long as the beam intensity remains largely constant during scanning of the sample, and the optical resolution properties of this method are much poorer for thick samples than for the differential interference contrast method that this method - as far as it has spread at all - can only be used for very thin samples. The present invention is therefore based on the object of specifying a scanning microscope and a method for phase contrast microscopy with such a scanning microscope, according to which a particularly high resolution is achieved with structurally simple means.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch ein Scanmikroskop mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das Scanmikroskop der eingangs genannten Art derart ausgestaltet und weitergebildet, dass auf beiden Seiten der Probenebene jeweils mindestens ein Objektiv angeordnet ist und dass mindestens zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende Objektive aufeinander zu gerichtet sind, so dass durch ein Objektiv zur Probe geführtes Beleuchtungslicht durch das gegenüberliegende Objektiv auffangbar und als Detekti- onslicht zum Positionsdetektor führbar ist.According to the invention, the above object is achieved by a scanning microscope having the features of patent claim 1. Thereafter, the scanning microscope of the aforementioned type is configured and further developed such that at least one objective is arranged on both sides of the sample plane and that at least two mutually opposite with respect to the sample plane lenses are directed towards each other, so that guided through an objective to the sample illumination light through the opposite lens can be captured and can be guided as a detection light to the position detector.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die voranstehende Aufgabe durch die Führung des durch die Probe hindurchgetretenen Beleuchtungslichts über ein weiteres Objektiv zum Positionsdetektor auf überraschend einfache Weise gelöst ist. Im Konkreten ist hierzu auf beiden Seiten der Probenebene jeweils mindestens ein Objektiv angeordnet, wobei mindestens zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende Objektive aufeinander zu gerichtet sind. Durch ein Objektiv zur Probe geführtes Beleuchtungslicht kann somit durch das gegenüberliegende Objektiv aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor geführt werden.According to the invention, it has been recognized that the above object is achieved in a surprisingly simple manner by the guidance of the illumination light which has passed through the sample via a further objective to the position detector. In concrete terms, at least one objective is arranged on both sides of the sample plane for this purpose, wherein at least two lenses lying opposite one another with respect to the sample plane are directed toward one another. Illumination light guided through a lens to the sample can thus be picked up by the opposing objective and guided as a detection light to the position detector.
Mit dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop wird unabhängig von der Dicke der Probe, insbesondere bei lebenden biologischen Präparaten, eine besonders hohe Auflösung erreicht, wobei des Weiteren auch die Untersuchung von polarisations- beeinflussenden - insbesondere doppelbrechenden - Proben ermöglicht ist. Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop ein Scanmikroskop angegeben, wonach eine besonders hohe Auflösung mit konstruktiv einfachen Mitteln erreicht ist.With the scanning microscope according to the invention, a particularly high resolution is achieved, regardless of the thickness of the sample, in particular in living biological specimens, and furthermore the examination of polarization-influencing - in particular birefringent - specimens is made possible. Consequently, a scanning microscope is specified with the scanning microscope according to the invention, according to which a particularly high resolution is achieved with structurally simple means.
Eine weitere Verbesserung der Auflösung kann erreicht werden, wenn das Beleuchtungslicht durch zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende und aufeinander zu gerichtete Objektive geführt und durch das jeweils gegenüberliegende Objektiv aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor geführt wird. Mit anderen Worten wird hierbei das Beleuchtungslicht nicht nur durch ein Objektiv, sondern durch zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende Objektive geführt, die aufeinander zu gerichtet sind. Die Probe wird hierbei von zwei Seiten beleuchtet. Das durch die Probe hindurchgetretene Beleuchtungslicht des einen Objektivs wird dabei vom jeweils gegenüberliegenden Objektiv aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor geführt. Der Positionsdetektor empfängt dabei sowohl das Detektionslicht, das von dem einen Objektiv aufgefangen worden ist, als auch das Detektionslicht, das vom gegenüberliegenden Objektiv aufgefangen worden ist.A further improvement of the resolution can be achieved if the illuminating light is guided through two lenses which lie opposite one another and are directed towards one another with respect to the sample plane and are collected by the respectively opposite objective and guided as a detection light to the position detector becomes. In other words, in this case the illumination light is guided not only by an objective, but by two lenses which lie opposite one another with respect to the sample plane and which are directed towards one another. The sample is illuminated from two sides. The illumination light of the one lens that has passed through the sample is thereby picked up by the respectively opposite objective and guided as a detection light to the position detector. In this case, the position detector receives both the detection light which has been picked up by the one objective and the detection light which has been picked up by the opposing objective.
Weiterhin zur Gewährleistung einer besonders hohen Auflösung könnte im Strahlengang des Detektionslichts vor dem Positionsdetektor eine Detektionslochblende angeordnet sein. Mit einer derartigen Detektionslochblende kann gewährleistet werden, dass ausschließlich Detektionslicht, das im Fokus der Objektive durch die Probe moduliert wird, durch die Detektionslochblende und damit auf den Positionsdetektor gelangt. Sowohl bei einer einseitigen Beleuchtung der Probe als auch bei der alternativen beidseitigen Beleuchtung der Probe ist hierdurch ein sehr eng begrenzter Fokuspunkt betrachtbar. Dieser Vorteil ergibt sich insbesondere bei einem konfokalen Betrieb des Scanmikroskops. Letztendlich werden durch die Detektionslochblende Detektionslichtanteile, die nicht aus dem gewünschten, eng begrenzten Fokusbereich stammen, herausgefiltert.Furthermore, to ensure a particularly high resolution, a detection pinhole could be arranged in the beam path of the detection light in front of the position detector. With such a detection pinhole can be ensured that only detection light, which is modulated in the focus of the lenses by the sample passes through the detection pinhole and thus on the position detector. Both in the case of one-sided illumination of the sample and in the case of the alternative illumination of the sample on both sides, a very narrow focus point can be viewed. This advantage results in particular in a confocal operation of the scanning microscope. Finally, detection light portions that do not originate from the desired narrow focus area are filtered out by the detection pinhole.
Im Hinblick auf eine besonders einfache Realisierung der Beleuchtung der Probe von zwei Seiten könnte im Strahlengang des Beleuchtungslichts vor dem Objektiv oder vor den Objektiven ein Strahlteiler angeordnet sein. Der Strahlteiler dient zur Aufspaltung des Beleuchtungslichts und zur Zusammenführung des Detektionslichts.With regard to a particularly simple realization of the illumination of the sample from two sides, a beam splitter could be arranged in the beam path of the illumination light in front of the objective or in front of the objectives. The beam splitter serves for splitting the illumination light and for combining the detection light.
Zur sicheren Führung des Beleuchtungslichts über die Probe könnte im Strahlengang des Beleuchtungslichts vor dem Objektiv oder den Objektiven eine Scaneinrichtung angeordnet sein. Eine derartige Scaneinrichtung kann durch Spiegel realisiert sein. Dabei könnte das durch die Probe hindurchgetretene Beleuchtungslicht als Detektionslicht über die Scaneinrichtung und/oder eine weitere Scaneinrichtung zum Positionsdetektor führbar sein. Bei einer konstruktiv besonders vorteilhaften Ausgestaltung könnte der Positionsdetektor ein RDC-Detektor - Ret ractive Differential Contrast-Detektor - sein.For reliable guidance of the illumination light over the sample, a scanning device could be arranged in the beam path of the illumination light in front of the objective or the objectives. Such a scanning device can be realized by mirrors. In this case, the illumination light which has passed through the sample could be feasible as detection light via the scanning device and / or a further scanning device can be guided to the position detector. In a structurally particularly advantageous embodiment, the position detector could be an RDC detector - ret ractive differential contrast detector.
Der Positionsdetektor könnte eine Vielzahl von Einzeldetektoren aufweisen, die eine wesentlich kleinere optisch wirksame Detektionsfläche aufweisen als die Querschnittsfläche eines Detektionslichtstrahls. Im Konkreten könnten die Einzeldetektoren in einer Zeile oder in einem Array oder in einer Matrix angeordnet sein. Hierbei bietet sich eine Photodiodenzeile oder ein Photodiodenarray an.The position detector could comprise a plurality of individual detectors which have a substantially smaller optically effective detection area than the cross-sectional area of a detection light beam. In concrete terms, the individual detectors could be arranged in a row or in an array or in a matrix. In this case, a photodiode line or a photodiode array is suitable.
Bei einer weiteren Ausgestaltung könnte der Positionsdetektor einen Photomultiplier aufweisen. Hierbei wäre ein Mehrkanal- oder Mehranoden-Photomultiplier besonders vorteilhaft. Der Photomultiplier könnte in weiter vorteilhafter Weise als Resistive- Anode-Photomultiplier ausgebildet sein. Bei einer weiteren Variante könnte der Positionsdetektor eine Micro-Chanel-PIate aufweisen. Bei der Wahl des geeigneten Photomultipliers ist auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustellen.In a further embodiment, the position detector could comprise a photomultiplier. In this case, a multi-channel or multi-anode photomultiplier would be particularly advantageous. The photomultiplier could be formed in a further advantageous manner as a resistive anode photomultiplier. In a further variant, the position detector could have a microchannel PIate. When choosing the suitable photomultiplier, the respective application should be considered.
Weiterhin könnte der Positionsdetektor mindestens einen CCD-Chip oder einen positionssensitiven Detektor - PSD - aufweisen.Furthermore, the position detector could have at least one CCD chip or a position-sensitive detector - PSD.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform könnte der Positionsdetektor eine im Wesentlichen stetige Punktauflösungsfunktion aufweisen. Hierbei könnte der Positionsdetektor in vorteilhafter Weise als PSD - Position Sensitive Detektor oder Device - ausgestaltet sein. Ein positionsempfindlicher Detektor - PSD - arbeitet ähnlich wie eine übliche Photodiode. Das auf das aktive Gebiet fallende Licht generiert einen Photostrom, der in Richtung des p- und des n-Gebiets abfließt. Im Gegensatz zu einer Photodiode verfügt ein PSD jedoch über mehrere elektrische Kontakte. Dadurch kommt es zu einer Aufteilung des Photostroms unter die Kontakte in Abhängigkeit von der Position des Lichtflecks. Die Position wird durch Bildung der Stromdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Kontakten ermittelt. Ein eindimensionaler PSD erlaubt die kontinuierliche Positionsbestimmung eines Lichtflecks entlang einer Achse. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltungsvariante, bei der der Positionsdetektor einen zweidimensionalen PSD aufweist, der eine kontinuierliche Positionsbestimmung entlang von zwei Achsen - beispielsweise X- und Y- Richtung - ermöglicht. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform mit einem zweidimensional detektierenden Positionsdetektor könnte die Scherungsrichtung durch vorzugsweise elektronische Verarbeitung der Signale der ersten und der zweiten Dimension gedreht werden. In der einfachsten Variante wird durch Vertauschen der Signale eine Drehung der Scherungsrichtung um 90° erzielt. Es ist auch möglich, durch gewich- tetes Verrechnen der Signale der ersten und zweiten Dimension eine Drehung der Scherungsrichtung um einen beliebigen Winkel zu erzielen.In a particularly preferred embodiment, the position detector could have a substantially continuous point resolution function. In this case, the position detector could advantageously be designed as a PSD position sensitive detector or device. A position sensitive detector - PSD - works much like a standard photodiode. The light falling on the active area generates a photocurrent that flows in the direction of the p and n areas. Unlike a photodiode, however, a PSD has multiple electrical contacts. This results in a division of the photocurrent under the contacts as a function of the position of the light spot. The position is determined by forming the current difference between two opposing contacts. A one-dimensional PSD allows continuous positioning of a light spot along an axis. Particularly advantageous is an embodiment variant in which the position detector has a two-dimensional PSD, which enables a continuous position determination along two axes - for example X and Y direction. In a particularly preferred embodiment with a two-dimensionally detecting position detector, the shear direction could be rotated by preferably electronically processing the signals of the first and second dimensions. In the simplest variant, by swapping the signals, a 90 ° rotation of the shear direction is achieved. It is also possible, by weighting the signals of the first and second dimensions, to achieve a rotation of the shear direction by an arbitrary angle.
In jedem Fall könnte der Positionsdetektor an eine elektronische Verarbeitungseinrichtung gekoppelt sein, wobei eine Wechselspannungskopplung besonders vorteilhaft ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind zur Beseitigung der bildbeeinträchtigenden Folgen von Schwankungen der Lichtleistung des Beleuchtungslichts, wie sie beispielsweise bei der Verwendung von Gaslasern auftreten, logarithmische Strom-Spannungs-Wandler vorgesehen, um die Signale des Positionsdetektors im Rahmen der Verarbeitungseinrichtung weiter zu verarbeiten. Hierzu könnte die Verarbeitungseinrichtung mindestens einen logarithmischen Strom-Spannungs-Wandler aufweisen. Insbesondere in der konfokalen Fluoreszenzrastermikroskopie, in der die Lichtleistung des Beleuchtungslichts variiert werden muss, um eine ausreichende Fluoreszenzanregung zu erreichen, ist die Verwendung von logarithmischen Strom- Spannungs-Wandlern besonders vorteilhaft, wobei in der Variante, in der der Positionsdetektor einen PSD aufweist, vorteilhafterweise nach der Strom-Spannungs-Wandlung die Differenz der Signale bezüglich der beiden Messrichtungen erzeugt wird. Diese Variante ist besonders vorteilhaft, um simultan ein Phasenkon- trastbild und mindestens ein Fluoreszenzbild der Probe aufzunehmen. In jedem Fall könnte mittels des Positionsdetektors ein Phasenkontrastbild aufgenommen werden, wobei gleichzeitig andere Beobachtungstechniken eingesetzt werden könnten, beispielsweise im Rahmen der Zweiphotonenanregung, FRET oder CARS.In any case, the position detector could be coupled to an electronic processing device, wherein an AC coupling is particularly advantageous. In an advantageous embodiment, logarithmic current-voltage converters are provided for eliminating the image-impairing consequences of fluctuations in the light output of the illumination light, as occur, for example, when using gas lasers, in order to further process the signals of the position detector in the context of the processing device. For this purpose, the processing device could have at least one logarithmic current-voltage converter. Particularly in confocal fluorescence scanning microscopy, in which the light output of the illumination light must be varied in order to achieve sufficient fluorescence excitation, the use of logarithmic current-voltage converters is particularly advantageous, and in the variant in which the position detector has a PSD, advantageously after the current-voltage conversion, the difference of the signals with respect to the two measuring directions is generated. This variant is particularly advantageous for simultaneously recording a phase contrast image and at least one fluorescence image of the sample. In each case, a phase contrast image could be recorded by means of the position detector, wherein at the same time other observation techniques could be used, for example in the context of two-photon excitation, FRET or CARS.
Die gleichzeitige Aufnahme eines Fluoreszenz- und eines Phasenkontrastbilds ermöglicht es beispielsweise, Mikropipetten oder Mikro-Patch-Clamps bei Sichtkontrolle in einer Fluoreszenzprobe zu positionieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Positionsdetektor - wie bereits erwähnt - an eine elektronische Verarbeitungseinrichtung gekoppelt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Kopplung um eine Wechselspannungskopplung, wodurch die Anforderung an die Zentrierung des Positionsdetektors in Bezug auf die optische Achse erheblich verringert wird, da sich bei einer solchen Anordnung systematische laterale Ablagen nicht in einem Offsetstrom manifestieren.The simultaneous recording of a fluorescence and a phase contrast image makes it possible, for example, to position micropipettes or micro-patch clamps visually in a fluorescence sample. In a preferred embodiment, the position detector is - as already mentioned - coupled to an electronic processing device. The coupling is preferably an AC coupling, whereby the requirement for the centering of the position detector with respect to the optical axis is considerably reduced, since in such an arrangement systematic lateral shelves do not manifest themselves in an offset current.
Vorzugsweise ist der Positionsdetektor in einer zu der Probenebene oder Fokalebene konjugierten Ebene - Fourierebene - angeordnet. Der aus dem Mikroskopobjektiv austretende fokussierte Beleuchtungslichtkegel wird durch das Phasenobjekt in der Brennebene des Objektivs abgelenkt, so dass der divergente von der Brennebene ausgehende Kegel gegenüber dem einfallenden Beleuchtungslichtkegel eine eher gekippte Mittelachse aufweist. Der Grad der Kippung ist ein direktes Maß für die Variation des Brechungsindex an der Stelle des zu beobachtenden Pixels. In einer zur Brennebene konjugierten Ebene wirkt sich diese Kippung der Mittelachse als Parallelverschiebung des kollimierten durch die Probe getretenen Beleuchtungslichtbündels aus. Es ist besonders vorteilhaft, den Positionsdetektor in einer solchen konjugierten Ebene zu positionieren, um dort die erzeugte Parallelverschiebung zu messen.Preferably, the position detector is arranged in a plane conjugate to the sample plane or focal plane-Fourier plane. The focused illuminating light cone emerging from the microscope objective is deflected by the phase object in the focal plane of the objective, so that the divergent cone emanating from the focal plane has a rather tilted central axis with respect to the incident illumination light cone. The degree of tilt is a direct measure of the variation in refractive index at the location of the pixel to be observed. In a plane conjugate to the focal plane, this tilting of the central axis acts as a parallel displacement of the collimated illuminating light beam passing through the sample. It is particularly advantageous to position the position detector in such a conjugate plane to measure the generated parallel displacement there.
Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung könnte im Strahlengang eine DlC-Optik - Differential Interference Contrast-Optik - angeordnet sein.In a further advantageous embodiment, a DIC optics - differential interference contrast optics - could be arranged in the beam path.
Bei einer weiter alternativen Ausgestaltung könnte im Strahlengang vor dem Objektiv oder den Objektiven und nach der Probe jeweils ein Wollaston-Prisma angeordnet sein.In a further alternative embodiment, in each case a Wollaston prism could be arranged in the beam path in front of the objective or the objectives and after the sample.
Bei einer konkreten Ausgestaltung könnte das Scanmikroskop ein 4Pi-Mikroskop sein. Hierdurch kann ein konfokales Transmissions-Bild erzeugt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Scanmikroskop kann aus einer Phaseninformation - beispielsweise Brechungsunterschiede - ein Amplitudenkontrast ohne störende Hintergrundinformation erzeugt werden. Im Gegensatz zu einem üblichen Durchlichtdetektor kann mit Hilfe des zweiten Objektivs das transmittierte Licht wieder aufgesammelt werden, über den Rückweg über den Scanspiegel der Rastervorgang wieder aufgehoben werden und somit das Licht auf die Detektionslochblende fokussiert werden. Licht, das in der Probe gestreut, gebrochen oder gebeugt wurde, wird an der Lochblende ausgefiltert. Dies erlaubt eine komplett neue Sichtweise der Transmissionsbilder, wobei nur Information aus der Fokusebene abgebildet wird. Die Unscharfe aus den anderen Fokusebenen wird durch die Detektionslochblende unterdrückt.In a specific embodiment, the scanning microscope could be a 4Pi microscope. As a result, a confocal transmission image can be generated. With the scanning microscope according to the invention can be generated from a phase information - such as refractive differences - an amplitude contrast without disturbing background information. In contrast to a conventional transmitted-light detector, the transmitted light can be collected again with the aid of the second objective, the raster process can be canceled again via the return path via the scanning mirror and thus the light can be focused onto the detection pinhole. Light that has been scattered, broken or bent in the sample is filtered out at the pinhole. This allows a completely new view of the transmission images, with only information from the focal plane being displayed. The blur from the other focal planes is suppressed by the detection pinhole.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe des Weiteren durch ein Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 gelöst. Danach ist das Verfahren derart ausgestaltet, dass auf beiden Seiten der Probenebene jeweils mindestens ein Objektiv angeordnet wird und dass mindestens zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende Objektive aufeinander zu gerichtet werden, so dass durch ein Objektiv zur Probe geführtes Beleuchtungslicht durch das gegenüberliegende Objektiv aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor geführt wird.According to the invention the above object is further achieved by a method for phase contrast microscopy with the features of claim 24. Thereafter, the method is configured such that in each case at least one objective is arranged on both sides of the sample plane and that at least two mutually opposite with respect to the sample plane lenses are directed towards each other, so that guided by a lens to the sample illumination light collected by the opposite lens and as Detection light is guided to the position detector.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens könnte das Beleuchtungslicht durch zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende und aufeinander zu gerichtete Objektive geführt und durch das jeweils gegenüberliegende Objektiv aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor geführt werden.In an advantageous embodiment of the method, the illumination light could be guided by two mutually opposite with respect to the sample plane and facing each other lenses and collected by the respective opposite lens and guided as a detection light to the position detector.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren könnte mittels des Positionsdetektors ein Phasenkontrastbild aufgenommen werden, wobei simultan ein Phasenkontrastbild und mindestens ein Fluoreszenzbild aufgenommen werden könnten.With the method according to the invention, a phase contrast image could be recorded by means of the position detector, wherein simultaneously a phase contrast image and at least one fluorescence image could be recorded.
Hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehend beschriebenen Vorteile eines entsprechenden Scanmikroskops zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.With regard to the advantages of the method according to the invention, in order to avoid repetition, reference is made to the advantages of a corresponding scanning microscope described above for carrying out the method according to the invention.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Lehre anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigenThere are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. This is on the one hand on the subordinate claims, on the other hand, to refer to the following explanation of a preferred embodiment of the teaching of the invention with reference to the drawing. In connection with the explanation of the preferred embodiment of the teaching according to the invention with reference to the drawing, generally preferred embodiments and developments of the teaching are explained. In the drawing show
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Scanmikroskops undFig. 1 in a schematic representation of an embodiment of a scanning microscope according to the invention and
Fig. 2 in einer weiteren schematischen Darstellung eine an das Scanmikroskop angeschlossene Verarbeitungseinrichtung mit einem Monitor.2 shows a further schematic representation of a processing device connected to the scanning microscope with a monitor.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Scanmikroskop mit einer Lichtquelle 1 , die als Mehrlinienlaser ausgeführt ist. Das Scanmikroskop ist als konfokales Scanmikroskop ausgebildet. Die Lichtquelle 1 erzeugt ein Beleuchtungslicht 2, das von einer Optik 3 auf eine Beleuchtungslochblende 4 fokussiert wird. Das durch die Beleuchtungslochblende 4 getretene Beleuchtungslicht 2 gelangt zu einem Hauptstrahlteiler 5 und wird von diesem über eine weitere Optik 6 zu einer Scaneinrichtung 7 gelenkt, die einen kardanisch aufgehängten Scanspiegel 8 aufweist. Die Scaneinrichtung 7 lenkt das Beleuchtungslicht 2 durch eine Scanoptik 9, über einen Umlenkspiegel 12, durch eine Tubusoptik 14, über einen Umlenkspiegel 15 und durch ein Objektiv 17 hindurch auf eine Probe 19, die beispielsweise ein Gehirnschnitt sein kann. Die Pupille des Objektivs 17 ist mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet.Fig. 1 shows a scanning microscope according to the invention with a light source 1, which is designed as a multi-line laser. The scanning microscope is designed as a confocal scanning microscope. The light source 1 generates an illumination light 2, which is focused by an optical system 3 on a illumination pinhole 4. The illumination light 2 which has passed through the illumination pinhole 4 passes to a main beam splitter 5 and is directed by the latter via a further optical system 6 to a scanning device 7, which has a gimbal-mounted scanning mirror 8. The scanning device 7 directs the illumination light 2 through a scanning optical system 9, via a deflection mirror 12, through a tube optical system 14, via a deflection mirror 15 and through an objective 17 to a sample 19, which may be a brain section, for example. The pupil of the objective 17 is identified by the reference numeral 16.
Optiken 10 und 11 sind für die Anpassung des 4Pi-Moduls an den konfokalen Strahlengang notwendig, wobei ein Strahlteiler 13 das Beleuchtungslicht 2 in Richtung Objektiv 17 und/oder 21 aufteilt. Das 4Pi-Modul, das an die restlichen Bestandteile des Scanmikroskops angeflanscht werden kann, wird im Wesentlichen durch den Strahlteiler 13 und die im nachfolgenden Strahlengang vorgesehenen Bauteile, insbesondere Optiken 14 und 24 sowie Objektive 17 und 21 , gebildet. Die Probe 19 befindet sich auf einem Objektträger 20 und ist mit einem ersten Immersionsmittel 18, das beispielsweise Wasser, Glyzerin oder Öl sein kann, optisch an das Objektiv 17 angekoppelt. Auf der der Probe 19 abgewandten Seite des Objektträgers 20 ist ein Objektiv 21 angeordnet, das mit einem weiteren Immersionsmittel, das beispielsweise Wasser, Öl oder Glyzerin sein kann, optisch angekoppelt ist.Optics 10 and 11 are necessary for the adaptation of the 4Pi module to the confocal beam path, with a beam splitter 13 dividing the illumination light 2 in the direction of the objective 17 and / or 21. The 4Pi module, which can be flanged to the remaining components of the scanning microscope, is essentially formed by the beam splitter 13 and the components provided in the subsequent beam path, in particular optics 14 and 24 as well as objectives 17 and 21. The sample 19 is located on a slide 20 and is optically coupled to the lens 17 with a first immersion agent 18, which may be, for example, water, glycerol or oil. On the side facing away from the sample 19 of the slide 20, an objective 21 is arranged, which is optically coupled with a further immersion agent, which may be, for example, water, oil or glycerol.
Das Objektiv 21 kollimiert das durch die Probe 19 getretene Beleuchtungslichtbündel 2 in einer zur hinteren Fokalebene 22 des Objektivs 21 korrespondierenden Ebene 25 sowie in einer weiteren korrespondierenden Ebene 29, und zwar über einen Umlenkspiegel 23 mit Hilfe einer Linse 24, der Optiken 11 und 10, der Scanoptik 9, der Optik 6 und einer weiteren Linse 27.The objective 21 collimates the illumination light beam 2 passed through the sample 19 in a plane 25 corresponding to the rear focal plane 22 of the objective 21 and in a further corresponding plane 29 via a deflection mirror 23 by means of a lens 24, the optics 11 and 10, the scanning optics 9, the optics 6 and another lens 27th
Im Strahlengang nach der Linse 27 ist ein Positionsdetektor 28 angeordnet, der als Position-Sensitive-Device (PSD) ausgeführt ist. Die hintere Fokalebene 22 des Objektivs 21 und die hierzu korrespondierende Ebene 29 sind Fourierebenen zur Brennebene des Objektivs 17.In the beam path to the lens 27, a position detector 28 is arranged, which is designed as a position-sensitive device (PSD). The rear focal plane 22 of the objective 21 and the plane 29 corresponding thereto are Fourier planes to the focal plane of the objective 17.
Der Positionsdetektor 28 misst die laterale, durch die Probe 19 hervorgerufene Ablenkung des Beleuchtungslichts 2, die sich am Ort des Positionsdetektors 28 in einem im Wesentlichen Parallelversatz des kollimierten durch die Probe 19 getretenen Beleuchtungslichts 2 zeigt. Der Positionsdetektor 28 detektiert die laterale Ablenkung in zwei Dimensionen - X- und Y-Richtung -, wobei in der Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nur die Beschaltung für eine Dimension dargestellt ist.The position detector 28 measures the lateral deflection of the illumination light 2 caused by the sample 19, which shows at the location of the position detector 28 in a substantially parallel displacement of the collimated illumination light 2 passing through the sample 19. The position detector 28 detects the lateral deflection in two dimensions - X- and Y-direction -, wherein in the figure 1 for the sake of clarity, only the wiring is shown for a dimension.
Bezüglich der dargestellten Dimension weist das Position-Sensitive-Device (PSD) zwei Kontakte auf, die jeweils an einen logarithmischen Strom-Spannungs-Wandler angeschlossen sind. Die Signale der beiden logarithmischen Strom-Spannungs- Wandler werden einem Differenzverstärker übergeben und das von diesem erzeugte Ausgangssignal an einen PC zur weiteren Bildverarbeitung und Darstellung weitergeleitet. Der PC ist in Figur 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die logarithmischen Strom-Spannungs-Wandler sowie der Differenzverstärker sind Bestandteil einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung 30. AIs Position-Sensitive-Device kann beispielsweise das Modell zwei L4SP der -Firma Sitek verwendet werden.With respect to the dimension shown, the Position Sensitive Device (PSD) has two contacts, each connected to a logarithmic current-to-voltage converter. The signals of the two logarithmic current-voltage converter are passed to a differential amplifier and forwarded the output signal generated by this to a PC for further image processing and display. The PC is not shown in FIG. 1 for the sake of clarity. The logarithmic current-voltage converters and the differential amplifier are part of an electronic processing device 30. For example, as a position-sensitive device, the model two L4SP from the company Sitek can be used.
Das in Figur 1 gezeigte Scanmikroskop kann letztendlich auf zwei Arten betrieben werden. Zum einen kann das Beleuchtungslicht 2 nur durch ein Objektiv 17 oder 21 geführt werden und nach seinem Durchgang durch die Probe 19 dann vom anderen Objektiv 21 oder 17 aufgefangen und zum Positionsdetektor 28 geführt werden. Alternativ hierzu kann eine Beleuchtung über beide Objektive 17 und 21 und dann ein entsprechendes Auffangen des durch die Probe 19 hindurchgetretenen Detektions- lichts durch die korrespondierenden Objektive 21 und 17 erfolgen. In beiden Fällen erfolgt eine Verarbeitung des Detektionslichts mittels des Positionsdetektors 28 und mittels der Verarbeitungseinrichtung 30.The scanning microscope shown in Figure 1 can ultimately be operated in two ways. On the one hand, the illumination light 2 can only be guided through an objective 17 or 21 and, after its passage through the sample 19, can then be picked up by the other objective 21 or 17 and guided to the position detector 28. Alternatively, an illumination can be effected via both objectives 17 and 21 and then a corresponding collection of the detection light which has passed through the sample 19 through the corresponding objectives 21 and 17. In both cases, the detection light is processed by means of the position detector 28 and by means of the processing device 30.
Das von der Lichtquelle 1 ausgehende Beleuchtungslicht 2 umfasst zusätzlich eine Wellenlängenkomponente zur optischen Fluoreszenzanregung der Probe 19. Das von der Probe 19 ausgehende Fluoreszenzlicht gelangt durch das Objektiv 17 und/oder das Objektiv 21 , die Tubusoptiken 14 und/oder 24, die Scanoptik 9 sowie die weiteren Optiken 11 und 10 über die Scaneinrichtung 8 und die Optik 6 zum Hauptstrahlteiler 5. Das Fluoreszenzlicht passiert den Hauptstrahlteiler 5 und die nachfolgende Detektionslochblende 26 und gelangt über einen weiteren Strahlteiler 31 schließlich zu einem Detektor 32, der als Photomultiplier oder APD ausgeführt ist. Der Detektor 32 erzeugt elektrische, zur Leistung des Fluoreszenzlichts proportionale Signale, die ebenfalls zur weiteren Bildverarbeitung und Darstellung an den nicht gezeigten PC weiter gegeben werden.The illuminating light 2 emanating from the light source 1 additionally comprises a wavelength component for the optical fluorescence excitation of the sample 19. The fluorescent light emanating from the specimen 19 passes through the objective 17 and / or the objective 21, the tube optics 14 and / or 24, the scanning optics 9 as well the further optics 11 and 10 via the scanning device 8 and the optics 6 to the main beam splitter 5. The fluorescent light passes through the main beam splitter 5 and the subsequent detection pinhole 26 and finally passes through another beam splitter 31 to a detector 32 which is designed as a photomultiplier or APD. The detector 32 generates electrical, proportional to the power of the fluorescent light signals, which are also given to further image processing and presentation to the PC, not shown.
Mit dem gezeigten Scanmikroskop ist es somit möglich, gleichzeitig sowohl ein Phasenkontrastbild als auch ein Fluoreszenzbild der Probe 19 zu erzeugen, um diese getrennt und auch gegebenenfalls überlagert darzustellen.With the scanning microscope shown, it is thus possible to simultaneously generate both a phase contrast image and a fluorescence image of the sample 19 in order to display them separately and also superimposed if necessary.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung die Linse 27, den Positionsdetektor 28 und die Verarbeitungseinrichtung 30, wobei an die Verarbeitungseinrichtung 30 noch eine Kontrollunit 33 und ein Monitor 34 angekoppelt sind. Über den Monitor 34 kann ein Phasenkontrastbild und/oder ein Fluoreszenzbild der Probe 19 betrachtet werden. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.FIG. 2 shows a schematic representation of the lens 27, the position detector 28 and the processing device 30, wherein a control unit 33 and a monitor 34 are coupled to the processing device 30. A phase contrast image and / or a fluorescence image of the sample 19 can be viewed via the monitor 34. With regard to further advantageous embodiments of the teaching of the invention, reference is made to avoid repetition to the general part of the specification and to the appended claims.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt. Finally, it should be expressly understood that the embodiment described above is only for the purpose of discussion of the claimed teaching, but does not limit the embodiment.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Scanmikroskop, insbesondere konfokales Scanmikroskop, mit einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts (2), mit einem Objektiv (17, 21) zur Führung des Beleuchtungslichts (2) zu einer Probenebene einer Probe (19) und einem Positionsdetektor (28) zum Messen der durch die Probe (19) hervorgerufenen lateralen Ablenkung eines durch die Probe (19) hindurchgetretenen Beleuchtungslichts (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf beiden Seiten der Probenebene jeweils mindestens ein Objektiv (17, 21) angeordnet ist und dass mindestens zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende Objektive (17, 21) aufeinander zu gerichtet sind, so dass durch ein Objektiv (17, 21) zur Probe (19) geführtes Beleuchtungslicht (2) durch das gegenüberliegende Objektiv (21 , 17) auffangbar und als Detektionslicht zum Positionsdetektor (28) führbar ist.1. Scanning microscope, in particular confocal scanning microscope, with a light source (1) for generating an illumination light (2), with a lens (17, 21) for guiding the illumination light (2) to a sample plane of a sample (19) and a position detector (28 ) for measuring the lateral deflection caused by the sample (19) of an illumination light (2) which has passed through the sample (19), characterized in that at least one objective (17, 21) is arranged on both sides of the sample plane and at least two mutually with respect to the sample plane opposite lenses (17, 21) are directed towards each other, so that by a lens (17, 21) to the sample (19) guided illumination light (2) by the opposite lens (21, 17) trappable and as a detection light to the position detector (28) is feasible.
2. Scanmikroskop nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungslicht (2) durch zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende und aufeinander zu gerichtete Objektive (17, 21) führbar und durch das jeweils gegenüberliegende Objektiv (21 , 17) auffangbar und als Detektionslicht zum Positionsdetektor (28) führbar ist.2. Scanning microscope according to claim 1, characterized in that the illumination light (2) by two opposite each other with respect to the sample plane and facing each other lenses (17, 21) feasible and by the respective opposite objective (21, 17) trappable and as a detection light for Position detector (28) is feasible.
3. Scanmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Detektionslichts vor dem Positionsdetektor (28) eine Detektions- lochblende (26) angeordnet ist.3. Scanning microscope according to claim 1 or 2, characterized in that in the beam path of the detection light in front of the position detector (28) a detection hole aperture (26) is arranged.
4. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Beleuchtungslichts (2) vor dem Objektiv (17, 21) oder den Objektiven (17, 21) ein Strahlteiler (13) angeordnet ist.4. Scanning microscope according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the beam path of the illumination light (2) in front of the lens (17, 21) or the lenses (17, 21), a beam splitter (13) is arranged.
5. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Beleuchtungslichts (2) vor dem Objektiv (17, 21) oder den Objektiven (17, 21) eine Scaneinrichtung (7) angeordnet ist. 5. Scanning microscope according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the beam path of the illumination light (2) in front of the lens (17, 21) or the lenses (17, 21) a scanning device (7) is arranged.
6. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Probe (19) hindurchgetretene Beleuchtungslicht (2) als Detekti- onslicht über die Scaneinrichtung (7) und/oder eine weitere Scaneinrichtung zum Positionsdetektor (28) führbar ist.6. Scanning microscope according to one of claims 1 to 5, characterized in that the through the sample (19) has passed illumination light (2) as Detekti- onslicht on the scanning device (7) and / or another scanning device to the position detector (28) can be guided ,
7. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) ein RDC-Detektor - Refractive Differential Contrast- Detektor - ist.7. Scanning microscope according to one of claims 1 to 6, characterized in that the position detector (28) is an RDC detector - refractive differential contrast detector - is.
8. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) eine Vielzahl von Einzeldetektoren aufweist, die eine wesentlich kleinere optisch wirksame Detektionsfläche aufweisen als die Querschnittsfläche eines Detektionslichtstrahls.8. Scanning microscope according to one of claims 1 to 7, characterized in that the position detector (28) comprises a plurality of individual detectors having a substantially smaller optically effective detection area than the cross-sectional area of a detection light beam.
9. Scanmikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzeldetektoren in einer Zeile oder in einem Array angeordnet sind.9. Scanning microscope according to claim 8, characterized in that the individual detectors are arranged in a row or in an array.
10. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) einen Photomultiplier aufweist.10. Scanning microscope according to one of claims 1 to 9, characterized in that the position detector (28) comprises a photomultiplier.
11. Scanmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Photomultiplier (28) als Mehranoden-Photomultiplier ausgebildet ist.11. Scanning microscope according to claim 10, characterized in that the photomultiplier (28) is designed as a multi-anode photomultiplier.
12. Scanmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Photomultiplier (28) als Resistive-Anode-Photomultiplier ausgebildet ist.12. A scanning microscope according to claim 10, characterized in that the photomultiplier (28) is designed as a resistive anode photomultiplier.
13. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) eine Micro-Chanel-Plate aufweist.13. Scanning microscope according to one of claims 1 to 12, characterized in that the position detector (28) has a micro-Chanel plate.
14. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) mindestens einen CCD-Chip aufweist.14. Scanning microscope according to one of claims 1 to 13, characterized in that the position detector (28) has at least one CCD chip.
15. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor eine stetige Punktauflösungsfunktion aufweist. 15. Scanning microscope according to one of claims 1 to 14, characterized in that the position detector has a continuous point resolution function.
16. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) an eine elektronische Verarbeitungseinrichtung (30) gekoppelt - vorzugsweise wechselspannungsgekoppelt - ist.16. Scanning microscope according to one of claims 1 to 15, characterized in that the position detector (28) to an electronic processing device (30) coupled - preferably AC coupled - is.
17. Scanmikroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (30) mindestens einen logarithmischen Strom-Spannungs- Wandler aufweist.17. Scanning microscope according to claim 16, characterized in that the processing device (30) has at least one logarithmic current-voltage converter.
18. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (28) in einer zu der Probenebene konjugierten Ebene - Fourierebene - angeordnet ist.18. Scanning microscope according to one of claims 1 to 17, characterized in that the position detector (28) in a plane conjugate to the sample plane - Fourierbene - is arranged.
19. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Positionsdetektors (28) ein Phasenkontrastbild aufnehmbar ist.19. Scanning microscope according to one of claims 1 to 18, characterized in that by means of the position detector (28), a phase contrast image is receivable.
20. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, das simultan ein Phasenkontrastbild und mindestens ein Fluoreszenzbild aufnehmbar sind.20. Scanning microscope according to one of claims 1 to 19, characterized in that simultaneously a phase contrast image and at least one fluorescence image are receivable.
21. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang eine DIC-Optik - Differential Interference Contrast-Optik - angeordnet ist.21. Scanning microscope according to one of claims 1 to 20, characterized in that in the beam path, a DIC optics - Differential Interference Contrast optics - is arranged.
22. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vor dem Objektiv oder den Objektiven und nach der Probe jeweils ein Wollaston-Prisma angeordnet ist.22. Scanning microscope according to one of claims 1 to 21, characterized in that in the beam path in front of the lens or the lenses and after the sample in each case a Wollaston prism is arranged.
23. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Scanmikroskop ein 4Pi-Mikroskop ist.23. Scanning microscope according to one of claims 1 to 22, characterized in that the scanning microscope is a 4Pi microscope.
24. Verfahren zur Phasenkontrastmikroskopie mit einem Scanmikroskop, insbesondere konfokalen Scanmikroskop, nach einem der Ansprüche 1 bis 23, mit einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines Beleuchtungslichts (2), mit einem Objektiv (17, 21) zur Führung des Beleuchtungslichts (2) zu einer Probenebene einer Probe (19) und einem Positionsdetektor (28) zum Messen der durch die Probe (19) hervorgerufenen lateralen Ablenkung eines durch die Probe (19) hindurchgetretenen Beleuchtungslichts (2), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass auf beiden Seiten der Probenebene jeweils mindestens ein Objektiv (17, 21) angeordnet wird und dass mindestens zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende Objektive (17, 21 ) aufeinander zu gerichtet werden, so dass durch ein Objektiv (17, 21) zur Probe (19) geführtes Beleuchtungslicht (2) durch das gegenüberliegende Objektiv (21 , 17) aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor (28) geführt wird.24. A method for phase contrast microscopy with a scanning microscope, in particular confocal scanning microscope, according to one of claims 1 to 23, with a light source (1) for generating an illumination light (2), with a lens (17, 21) for guiding the illumination light (2) to a sample plane of a sample (19) and a position detector (28) for measuring the lateral deflection of the sample (19) caused by an illumination light (2) passing through the sample (19). , characterized in that at least one objective (17, 21) is arranged on both sides of the sample plane and that at least two lenses (17, 21) lying opposite each other with respect to the sample plane are directed toward one another, so that a lens (17, 21) to the sample (19) guided illumination light (2) by the opposite objective (21, 17) is collected and fed as detection light to the position detector (28).
25. Scanmikroskop nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungslicht (2) durch zwei einander bezüglich der Probenebene gegenüberliegende und aufeinander zu gerichtete Objektive (17, 21) geführt und durch das jeweils gegenüberliegende Objektiv (21 , 17) aufgefangen und als Detektionslicht zum Positionsdetektor (28) geführt wird.25. Scanning microscope according to claim 24, characterized in that the illumination light (2) guided by two mutually relative to the sample plane and facing each other lenses (17, 21) and collected by the respective opposite objective (21, 17) and as a detection light for Position detector (28) is guided.
26. Scanmikroskop nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Positionsdetektors (28) ein Phasenkontrastbild aufgenommen wird.26. A scanning microscope according to claim 24 or 25, characterized in that by means of the position detector (28), a phase contrast image is taken.
27. Scanmikroskop nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, das simultan ein Phasenkontrastbild und mindestens ein Fluoreszenzbild aufgenommen werden. 27. Scanning microscope according to one of claims 24 to 26, characterized in that a phase contrast image and at least one fluorescence image are recorded simultaneously.
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