WO2007019895A1 - Light scanning microscope with autofocus mechanism - Google Patents

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WO2007019895A1
WO2007019895A1 PCT/EP2006/004433 EP2006004433W WO2007019895A1 WO 2007019895 A1 WO2007019895 A1 WO 2007019895A1 EP 2006004433 W EP2006004433 W EP 2006004433W WO 2007019895 A1 WO2007019895 A1 WO 2007019895A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
line
detector
scanning microscope
plane
spot
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/004433
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Westphal
Daniel Bublitz
Original Assignee
Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microimaging Gmbh filed Critical Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Publication of WO2007019895A1 publication Critical patent/WO2007019895A1/en

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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/24Base structure
    • G02B21/241Devices for focusing
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes

Definitions

  • the invention relates to a laser scanning microscope with an autofocus device, in particular a light scanning microscope with an excitation and a detection beam path, means for scanning scanning of an object by moving an imaged spot or multispot area over the object and a spot or multispot area imaging lens, wherein a verstellmechanismus is provided for the lens.
  • Light-scanning microscopes are known in the prior art, for this purpose reference is made, for example, to DE 197 02 753 A1 or DE 102 57 237 A1, which describes a light scanning microscope designed as a laser scanning microscope.
  • the term "light” here means the entire region of the radiation which obeys the laws of optics.
  • Scanning microscopes typically reach an object image by imaging the aforementioned spot or multispot area with a detection that does not resolve a structure of the spot or the multispots (e.g., confocal detection). Moving the spot or multispot area over the object provides the picture. At the detector there is always only radiation information for the respective spot or multi-spot area, and an electronic combination of this image information taking into account the displacement of the spot or multi-spot area leads to the desired image.
  • Confocal detection is a way to achieve a very high depth resolution. The signal evaluation is then restricted substantially to the focal plane, since areas lying outside the focal plane do not provide any significant signal information in the case of confocal detection; they are displayed in front of or behind the confocal aperture.
  • Adjusting the focal plane position is thus extremely important for a scanning microscope, especially when working with confocal detection. This is especially true if you have a Sample is used, which is thicker than the depth of field of the lens. It is then necessary to approach the plane which is to be measured before the measurement in the sample.
  • the focus adjustment mechanisms are highly precise in conventional scanning microscopes, which would make it possible first to approach a known reference surface and then to set the focal plane to the desired distance from the reference surface, the distance between the current focal plane and the reference surface can be due to thermal effects, vibrations or temporally changed by other disturbances. One would then intermittently repeatedly check the distance to the reference surface, which would be very expensive.
  • Triangulations In order to obtain precise images of a sample or a sample section by means of imaging optics in laser scanning microscopy, it is necessary to place the sample exactly in the focal position of the imaging position of the optics and secondly the position of the focal plane in the sample to know.
  • triangulations imaging methods with contrast evaluation and position determination by means of obliquely arranged convocal slit are known.
  • Triangulationsvon a collimated laser beam is reflected in the pupil plane of an objective and closed from the course of this laser beam relative to the imaging beam path to the z position of the laser light reflected from the sample.
  • image errors occur so that the autofocus quality varies greatly over a given depth of field.
  • fluctuations are to be determined as to whether the measurement result from the center or at the edge of the sample or the detector used is determined.
  • a triangulation method is therefore performed iteratively, which is relatively time consuming.
  • the sample is illuminated with a specific intensity distribution, usually by placing a grid in a field stop plane of an illumination beam path.
  • the disadvantage of this is that for recording the image series different z-positions must be approached with high accuracy, which in turn is time consuming.
  • a slit diaphragm When determining the position by means of an obliquely placed concave slit diaphragm, a slit diaphragm is placed in a field stop plane of the illumination beam path and imaged onto the sample. The light reflected from the specimen is directed to a CCD line inclined relative to the slit and the position on the CCD line where the reflected light has a maximum is determined.
  • This procedure is very fast, though Problems with impurities on the sample or sample surface that can cause intensity fluctuations. Also, a very large Justieraufwand in the image of the gap on the CCD line to apply, because the gap must be very narrow in order to achieve high accuracy can be.
  • An improvement of the position determination by means of obliquely placed convocal slit aperture is described in DE 10319182A1.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a laser scanning microscope, with which not only the position of the measurement plane can be determined exactly, but at the same time the distance to a reference plane can be detected.
  • a repeated adjustment of the sample in the z-direction should be avoided for the determination of the reference plane.
  • an accurate determination of the position of the focal plane should be possible with little effort.
  • This object is achieved by a light scanning microscope of the type mentioned above, which has an autofocus device for detecting a position of the focal plane of the objective, which images different depth ranges on the imaged spot or multispot area to different locations of a spatially resolving detector.
  • the light scanning microscope according to the invention thus forms a depth cutout on the spot-resolving detector at each spot, so that the position not only of the focal plane but also of a reference plane, for example a transitional glass / sample material can be determined.
  • the light scanning microscope thus determines the position of the focal plane relative to the reference plane.
  • the verstellmechanismus is then controlled so that the distance of the focal plane, which represents the measurement plane, is kept constant by the reference plane to a certain extent, or changed according to application-specific specifications.
  • the invention thus for the first time uses a depth-resolved image of the spot or multispot area for autofocusing.
  • a one-dimensional detector element suffices.
  • the coordinate of the detector element scales the depth information.
  • the intensity of the imaged radiation from the spot or multi-spot region depends on the one spatial coordinate of the detector element, which in turn is assigned taking into account the imaging conditions of the depth coordinate.
  • a detector line is sufficient, to which the depth-dependent spatially resolved imaging takes place such that different depth ranges are brought to different areas of the detector row for imaging.
  • the center of the detector line is in a plane conjugate to the focal plane rather than the otherwise confocal aperture.
  • the deep-resolution image can be realized by means of an anamorphic optical system arranged in front of the detector line, which focuses a line focus on the detector line, which lies in one plane with the detector line and intersects the detector line.
  • a tilting of the anamorphic optics or the detector line realizes this geometric arrangement particularly simple.
  • the anamorphic optics can be realized for example as a cylindrical lens, as a toric lens or as a combination of a one-dimensional holographic diffuser with a spherical lens.
  • the excitation or the detection beam path can be used in the light-scanning microscope in order to decouple the radiation for the autofocus device.
  • the integration takes place in the illumination beam path.
  • illumination light reflected back from the focal plane of the object or from the reference plane is used in the autofocus device.
  • An increase in radiant power, with the Lighting light is directed to the object is not necessary because the autofocus device has no effect on the radiation intensity in the detection beam path.
  • the decoupling of the radiation for the autofocus device in the beam path between the detector module or excitation module and the scanner, ie when the beam is at rest, advantageously causes the depth information to be averaged over the entire imaged area of the object. Individual object areas in the focal plane, which do not scatter radiation, then do not interfere.
  • the autofocus device now allows the light scanning microscope to control the focus adjustment mechanism as desired. Therefore, a development is preferred in which a control unit is provided which reads out the signals of the autofocus device and actuates the focus adjustment mechanism.
  • control unit will use the signals to determine the position of the focal plane with respect to a reference plane. It is therefore preferred that the control unit from the signals determines a measure of a distance between the focal plane of the lens and a reference plane on the object and optionally taken into account in the control of the verstellmechanismus.
  • the signals of the autofocus device can be the signal of the detector line in the mentioned embodiments.
  • the signal will usually have at least two intensity maxima: the first maximum corresponds to the position of the current measuring position, ie the position of the focal plane, the second maximum is the position of the reference plane, for example, to assign a glass / sample material interface.
  • the distance between the two maxima provides the distance between focal plane and reference plane, wherein the function with which the depth resolution is transmitted to the spatial resolution of the detector is taken into account.
  • the angle between the line focus and the longitudinal axis of the detector line, the depth of field of the objective and the image scale can be used to convert the distance between the maxima into the distance between the focal plane and the reference plane.
  • the width of the maxima is usually determined by the depth of field of the lens.
  • the anamorphic optic produces the mentioned line focus.
  • the intensity distribution along the line focus is rarely constant, or only when considerable effort is driven. It is simpler to consider the intensity distribution along the line focus when determining the maxima.
  • the intensity distribution along the line thereby corresponds to the intensity distribution of the spot illumination with excitation light.
  • a laser scanning microscope which directs illumination radiation through an illumination beam path onto a sample and detects radiation emitted on the sample in a detection beam path
  • the microscope has a beam splitter which can be used in the illumination or detection beam path the beam splitter in the inserted state at the sample reflected illumination radiation from the illumination or detection beam path along an optical axis of the autofocus device decouples, a the beam splitter with respect to the decoupled illumination radiation downstream, anamorphic optical element which focuses the decoupled illumination radiation in a line focus and a the Optical element subordinate line or area detector which has an area sensitive to illumination radiation, which lies in a plane which au of the line focus and the optical axis is biased, wherein the optical element and the detector are arranged to each other and tilted against each other so that the line focus with the sensitive area forms an angle greater than 0 ° and less than 90 °.
  • the autofocus device of the microscope which can be provided either as a standalone module or permanently installed in the laser scanning microscope, uses reflected or backscattered illumination radiation for the focusing on the sample.
  • this illumination radiation is excitation radiation, which is why these terms are also used interchangeably below.
  • the use of the illumination radiation has the advantage that, in the case of a radiation-sensitive sample, there is no additional exposure to radiation of radiation which is only required for autofocus. If you wanted in the prior art this To avoid stress, illumination radiation for the autofocus device would have to be selected spectrally so that it does not damage the specimen. However, this would mean that the chromatic demands on the microscope rise significantly. Both problems avoids the device according to the invention or the microscope according to the invention by the use of the already irradiated for microscopy illumination radiation.
  • the autofocus device couples illuminating radiation returning from the specimen either in the illumination beam path or in the detection beam path and directs it onto a detector line.
  • An anamorphic optical element is used, which bundles the decoupled radiation into a focal line.
  • a detector detects the radiation, wherein the anamorphic element and the detector are aligned in a certain manner to each other such that a radiation-sensitive region of the detector is oblique to the longitudinal extent of the focal line.
  • the detector has a sensitive area that is line or line shaped. This can be realized by using a line detector. Alternatively, of course, an area detector comes into question, which is read in the corresponding line or line-shaped section. Furthermore, the detector allows a spatial resolution along the line-shaped, sensitive area.
  • the anamorphic element and the beam splitter are adjusted with respect to the arrangement in the illumination or detection beam path so that different levels in the
  • Focal lines which are assigned to spaced planes in the sample, at different longitudinal position of the sensitive detector area and an evaluation of the detector signals provides a direct statement about the distance of the planes in or on the sample, taking into account the geometry and imaging conditions used.
  • the detector will be aligned so that the sensitive area lies in the plane defined by the longitudinal direction of the focal line and the optical axis of the autofocus beam path and at an angle to the optical axis.
  • Detector with its line-shaped sensitive area is inclined to the optical axis, is particularly easy to implement.
  • the focal line extend obliquely to the optical axis and the sensitive area is, for example, perpendicular to the optical axis.
  • the focal line is the sensitive detector area and both lie substantially in the same plane as the optical axis.
  • the point of intersection between the focal line and the sensitive detector area depends, with regard to its position along the sensitive detector area, on the position of the focal line on the optical axis and thus on the position of the associated plane in the sample.
  • Essential for the anamorphic optical element is that it generates the aforementioned focal line, that is, has a line focus.
  • this can be achieved by using a cylindrical lens, a toric lens or a one-dimensional, holographic diffuser.
  • a control device which reads these signals of the detector and determines the layers of intensity maxima along the sensitive area. Intensity maxima are associated with intersections of focal lines, so that taking into account the angle to which the line focus and sensitive range are tilted against each other, the distance of the focal lines along the optical axis of the autofocus device can be determined very simply. Taking into account the reproduction scale of the microscope, the control device thus calculates the distance of the focal plane from a reference plane.
  • the anamorphic optical element usually generates the focal line with a certain intensity distribution along the line.
  • this intensity distribution will cause the intensity maxima to vary, depending on which portion of the focal line intersects the sensitive area of the detector.
  • the inhomogeneity of the focal line is therefore expediently taken into account by the control device in determining the positions of the intensity maxima, for example in which a correction function is used.
  • the autofocus device can be used as a module in the illumination or detection beam path of a laser scanning microscope or can already be provided there in the microscope.
  • no blocking of illumination radiation must occur between the sample and the beam splitter, i. It must be provided a color neutral beam splitter and any block filter must be arranged downstream of the beam splitter relative to the sample.
  • the autofocus device evaluates averaged radiation over an image when the detector integrates over a period of time that is longer than the scanning of at least one section of the sample takes.
  • the autofocus device or the microscope according to the invention converts a plane lying in the sample into a focal line, with spaced planes in the sample corresponding to spaced focal lines, which in turn are spaced according to the magnification on the optical axis of the autofocus devices.
  • a particularly large measuring range is obtained by adjusting the beam splitter and the anamorphic optical element so that the focal plane of the objective is conjugate to a focal line which intersects the optical axis in the sensitive region of the detector.
  • the sensitive area of the detector, the optical axis and the focus plane of the objective associated focal line thus ideally intersect as possible in one point.
  • the autofocus device or the microscope according to the invention is particularly suitable, as mentioned, to determine the distance between the current focal plane and a reference plane.
  • a reference plane for example, a glass / sample transition is possible, which is present in conventional samples either at the bottom of the sample (i.e., at the slide) or at the top of the sample (on the coverslip).
  • the control device is expediently assigned the positions of the intensity maxima of such interfaces in or on the sample.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a light scanning microscope with a
  • FIG. 3 is a simplified sectional view of an object detected by the light scanning microscope of FIG. 1,
  • Fig. 4 is a simplified representation of a signal waveform, as with the
  • FIG. 5 is a schematic diagram of the objective together with the autofocus device of FIG. 1; and
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining geometrical relationship within FIG.
  • FIG. 1 schematically shows a light scanning microscope designed as a laser scanning microscope (LSM) 1.
  • LSM laser scanning microscope
  • the laser scanning microscope 1 is essentially subdivided into an illumination or excitation module 3, a detection module 4 and a microscope module 5.
  • the excitation module 3 provides excitation radiation and feeds it into the microscope module 5, so that it is directed to the object 2 as spot-shaped illumination.
  • the spot-shaped illumination is guided by the microscope module 5 in a scanning manner over the object 2.
  • the spot area illuminated at the object 2 with excitation radiation from the excitation module 3 is confocally detected by the detection module 4 via the microscope module 5, e.g. in the form of a fluorescence analysis.
  • the microscope module 5 has an objective 6, which can be changed by means of a drive A in a focus adjustment FV with respect to the position of the focal plane in the object 2. This focus adjustment is explained in more detail for example in DE 197 02 753 A1.
  • the objective 6 is preceded by a tube lens 7.
  • the radiation coming from the excitation module 3 is guided via the objective 2 by means of a scanning optics 8 and a scanner 9 through the tube lens 7 and the objective 6 as a scanning spot.
  • the scanner 9 causes a so-called de-scanning in the reverse direction of the beam towards the detection module 4, so that after the scanner 9 in the detection module 4 there is again a stationary beam.
  • the excitation beam path of the excitation module 3 and the detection beam path of the detection module 4 are combined via a main color splitter HFT.
  • a color-neutral divider can also be used, as described, for example, in DE 102 57 237 A1.
  • the radiation is divided by further, unspecified color divider into individual detection channels, which are each constructed of a photomultiplier 14 with upstream Pinhole 15 and Pinholeoptik 16.
  • the pinhole 15 narrows the detection area almost completely to the theoretical focal plane; Radiation generated outside this focal plane can not pass through the pinhole 15.
  • the main beam splitter HFT thus transmits the detection radiation, for example due to suitable spectral filter properties or by suitable geometric formation in the form of partial mirroring, as is known in the prior art.
  • the radiation is conducted via secondary divider and the Pinholeoptiken 16 and the Pinholeblenden 15 to the PMT detectors.
  • the LSM 1 is a laser scanning microscope of known design.
  • the excitation module 3 causes an illumination of the spot with radiation of different wavelengths.
  • different illumination channels are provided, which are each constructed in the embodiment of a laser terminal 10 and 12 for coupling the radiation of a laser and coupling optics 11 and 13 and which are combined via an unspecified mirror staircase.
  • a telescope 17 is provided, which ensures the coupling according to conditioned radiation at the main color divider HFT.
  • the LSM 1 additionally has an autofocus device 22, which is installed in the illustrated embodiment in the illumination beam path.
  • a beam splitter sits as an output coupler 18 in the illumination beam path 2, which decouples radiation backscattered from the object 2 into the excitation beam path of the excitation module 3 at the excitation module 3 and bundles optics 19 formed here as anamorphic optics into a line focus LF.
  • the optic 19 is an anamorphic photon.
  • a spherical lens 19 can be used, since this then already provides a line focus.
  • the line focus LF is directed to a detector line 20, which forms an angle ⁇ with the optical axis OA and is cut by the line focus LF.
  • the line focus LF and the detector line 20 are thus in one plane.
  • the anamorphic 19 and the detector line 20 form an autofocus device 22, whose operation will be explained with reference to Figures 3 and 4.
  • the present geometry is described below with reference to Figures 5 and 6 in more detail. It is essential here that the anamorphic photodiode 28 produces a linear focus.
  • FIGS. 2a-c A possible embodiment for the optics 19 are shown in FIGS. 2a-c.
  • the line focus LF or, in FIG. 2c, the longitudinal axis L of the detector line 20 is shown by way of example in FIG. 2b.
  • the optics 19 can be a combination of one-dimensional holographic diffuser 26 with upstream spherical optics 25 (FIG. 2a), toric lens 24 (FIG. 2b) or cylindrical lens 23 (FIG. 2c), if the laser scanning microscope uses a spot spot for scanning.
  • FIGS. 1 and 2 show an oblique position of the detector line 20 in order to ensure that the line focus LF lies obliquely to the longitudinal axis L of the detector line 20.
  • this mutual skew can also be achieved without tilting the detector line 20 with respect to the optical axis OA, for example by means of a suitable holographic element or an obliquely arranged cylinder optic. It is therefore essential, as will be explained below, a tilting of the longitudinal direction of the focal line to the longitudinal direction of the detector line 20. This could also be achieved, for example, by the Anamorphot 19 is tilted.
  • a decoupling on the detection module 4 can take place when the main color splitter HFT allows backscattered excitation radiation to pass through.
  • a possible attachment point for the autofocus device 22 is indicated in Figure 1 at 30 and indicated by a dashed line.
  • Figure 3 shows a schematic sectional view through the object 2, which is detected by the laser scanning microscope 1 of Figure 1.
  • the object 2 has a slide 27, on which, covered by a cover glass 28, a cell layer 29 to be microscoped is arranged. Further, by way of example, the position of the focal plane F corresponding to the plane indicated by the confocal condition of the detection module 4, i. is determined by the selective action of Pinholes 15. Above the cell layer 29 there is a transition to the cover glass 28. Such a glass / cell layer transition has a refractive index jump. As is known, radiation is fundamentally reflected at a refractive index jump. The refractive index jump of the transition between cover glass 28 and cell layer 29 can thus be used as a reference plane R.
  • the imaging of the line focus LF in the autofocus device 22 onto the detector array 20 causes radiation incident on the detector array 20 to be fanned out of different regions along the optical axis OA on which the spot is illuminated.
  • the result of this fanning in the signal of the detector line 20 is shown in FIG. 4.
  • the reflection at the refractive index jump of the reference plane R leads to an increased radiation intensity at a certain point of the detector line 20.
  • a corresponding peak which in FIG. 4 is a reference plane peak PR is designated.
  • the structure of the cell layer measured in the measurement plane, ie the focal plane likewise leads to a reflection which occurs elsewhere on the detector line 20, ie at another x-coordinate in FIG. 4 and likewise leads to an increase in the intensity I (in FIG referred to as focal plane peak PF).
  • the detector line 20 whose corresponding x-coordinate is usually given by the pixel number, there are thus two intensity maxima as peaks, namely focal plane peak PF and reference plane peak PR, which are spaced apart by one pixel spacing d.
  • the pixel spacing d can be converted into the distance D between the focal plane F and the reference plane R in a simple manner.
  • the magnification of the optical image has to be considered.
  • each peak is determined by the depth of field of the lens 6. It can enter into the determination of the center of gravity of the focal plane peak PF and the reference plane peak PR. Furthermore, in the case of the determination of the peak or center of gravity, a basic course of the signal S resulting from the intensity distribution which is fundamentally given in the line focus LF can be taken into account. For example, with a Gaussian illuminated spot, e.g. find this Gaussian distribution also in the line focus LF. The same applies of course to other intensity distributions in the illuminated spot.
  • the determination of the distance D is made in the embodiment of Figure 1 by a control unit 21, which reads both the signal of the detector row 20, as well as the drive A for focus adjustment of the lens 6 controls accordingly.
  • the controller further determines the peak centroids, the peak distance d and controls the setting of the distance D to a certain extent.
  • FIG. 5 schematically shows the mode of operation of the autofocus device 22.
  • the optical axis OA and the elements 2, 6, anamorphot 19 and detector line 20 lying thereon are shown in FIG. 5.
  • Folds of the optical axis OA, as they occur in particular at the beam splitter 18 in Fig. 1, are not shown in order to keep the figure clear.
  • the objective 6, together with the anamorphic 19, images planes spaced apart in the sample 2 into spaced focal lines.
  • the object focal plane 37 is imaged, for example, in a focal line 38, and a plane 36 located farther in the object 2, ie further away from the objective 6, is imaged into a focal line 39, which is seen along the optical axis OA in the imaging direction in front of the focal line 38, ie closer to Anamorphic 19 is located. Due to the inclination of the Detector line 20 with respect to the optical axis OA cut the focal lines 38 and 39, the sensitive portion of the detector line 20 at various intersections 40, 41, which are spaced along the detector line. Thus, at the points of intersection 40, 41 associated points of the longitudinally of the sensitive area spatially resolving detector line 29 form the already mentioned intensity maxima. This is illustrated in FIG. 6.
  • FIG. 6 shows in its upper half the detector row 20 and the optical axis OA lying obliquely at an angle ⁇ and the focal lines 38, 39 intersecting the detector row 20. Due to the different points of intersection, signal I of detector line 20 as a function of pixel number n of the detector line results in the already mentioned intensity curve S which has peaks as maxima 43 and 44 which correspond to intersection points 40 and 41 of focal line 38 and 39, respectively, with the detector line 29 are assigned. By the corresponding coordinates 45 and 46 of the maxima, as described with reference to FIG.
  • the distance of the focal lines 39 and 38 along the optical axis OA can be easily calculated by the distance d between the coordinates 45 and 46 is multiplied by the cosine of the angle ⁇ . Together with the imaging ratio, which is achieved in the microscope module and in particular taking into account the objective 6, one thus obtains the distance D between the planes 37 and 38 in the sample 17.
  • the two intensity maxima occurring on the detector line 29 are assigned to such excellent planes in the sample 17.
  • the maximum 43 corresponds to the focal plane of the lens 16, d. H. the current measuring position or plane, from which the confocal image in the sample 17 takes place.
  • the second maximum 44 can be assigned as the reference plane of an interface in the sample between the sample material and the substrate (for ease of illustration, the sample 17 in Figures 1, 4 and 5 is not shown structured, so that the interface is not shown, for example, exactly the dashed line 36 would be).
  • control unit After calculating the distance between the planes, the control unit can set or keep constant the distance of the measurement plane from the interface which serves as the reference plane. Also, simply calibrate the sample stage adjustment mechanism if it exists.
  • the focal lines 38 and 39 are usually not homogeneous along their longitudinal direction in terms of intensity, since a conventional anamorphic photopotential focus focuses the light on the focal line.
  • the resulting zero curve 47 is shown in Fig. 6 for the intensity.
  • this zero curve 47 is considered, for example, subtracted from the signal of the intensity curve S.
  • the illustrated construction shows a laser scanning microscope 1 with punctiform screening.
  • the autofocus method can also be used with linear screening, in which case the line shape of the radiation without anamorphic imaging already exists.

Abstract

A light scanning microscope is disclosed, with an excitation and a detection beam path, means (9) for raster scanning of an object (2) by displacement of an imaged spot, line or multi-spot region over the object and with a lens (6) for imaging the spot, line or multi-spot region. A focus adjustment mechanism (A) is provided for the lens (6) and an autofocus device (22) is provided for recording a position of the focus plane (F) of the lens (6) which images differing depth ranges on the imaged spot, line or multi-spot region at differing locations on a resolving detector (20).

Description

Lichtrastermikroskop mit Autofokusmechanismus Scanning microscope with autofocus mechanism
Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Autofokusvorrichtung, insbesondere ein Lichtrastermikroskop mit einem Anregungs- und einem Detektionsstrahlengang, Mitteln zur rasternden Abtastung eines Objektes durch Verschieben eines abgebildeten Spot- oder Multispotbereiches über das Objekt und einem den Spot- oder Multispotbereich abbildenden Objektiv, wobei für das Objektiv ein Fokusverstellmechanismus vorgesehen ist.The invention relates to a laser scanning microscope with an autofocus device, in particular a light scanning microscope with an excitation and a detection beam path, means for scanning scanning of an object by moving an imaged spot or multispot area over the object and a spot or multispot area imaging lens, wherein a Fokusverstellmechanismus is provided for the lens.
Lichtrastermikroskope sind im Stand der Technik bekannt, hierzu wird beispielsweise auf die DE 197 02 753 A1 oder die DE 102 57 237 A1 verwiesen, die ein als Laserscanningmikroskop ausgebildetes Lichtrastermikroskop beschreibt. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß hier unter dem Begriff "Licht" der gesamte den optischen Gesetzen gehorchende Bereich der Strahlung verstanden wird.Light-scanning microscopes are known in the prior art, for this purpose reference is made, for example, to DE 197 02 753 A1 or DE 102 57 237 A1, which describes a light scanning microscope designed as a laser scanning microscope. In this context, it should be noted that the term "light" here means the entire region of the radiation which obeys the laws of optics.
Lichtrastermikroskope erreichen ein Objektbild üblicherweise durch Abbildung des genannten Spot- oder Multispotbereiches mit einer Detektion, die keine Struktur des Spots oder der Multispots auflöst (z.B. konfokale Detektion). Verschieben des Spot- oder Multispotbereiches über das Objekt liefert das Bild. Am Detektor liegt immer nur Strahlungsinformation zum jeweiligen Spot- bzw. Multispotbereich vor, und ein elektronisches Zusammenfügen dieser Bildinformation unter Berücksichtigung der Verschiebung des Spot- oder Multispotbereiches führt zum gewünschten Bild. Konfokale Detektion ist dabei eine Möglichkeit, eine sehr hohe Tiefenauflösung zu erreichen. Die Signalauswertung ist dann im wesentlichen auf die Fokalebene eingeschränkt, da außerhalb der Fokalebene liegende Bereiche keine wesentliche Signalinformation bei der konfokalen Detektion liefern; sie werden vor oder hinter die Konfokalblende abgebildet.Scanning microscopes typically reach an object image by imaging the aforementioned spot or multispot area with a detection that does not resolve a structure of the spot or the multispots (e.g., confocal detection). Moving the spot or multispot area over the object provides the picture. At the detector there is always only radiation information for the respective spot or multi-spot area, and an electronic combination of this image information taking into account the displacement of the spot or multi-spot area leads to the desired image. Confocal detection is a way to achieve a very high depth resolution. The signal evaluation is then restricted substantially to the focal plane, since areas lying outside the focal plane do not provide any significant signal information in the case of confocal detection; they are displayed in front of or behind the confocal aperture.
Die Einstellung der Fokalebenenlage ist damit für ein Lichtrastermikroskop, insbesondere wenn es mit konfokaler Detektion arbeitet, äußerst wichtig. Dies gilt insbesondere, wenn man eine Probe verwendet, die dicker ist als der Schärfentiefebereich des Objektivs. Man muß dann vor der Messung in der Probe diejenige Ebene anfahren, die vermessen werden soll. Zwar sind bei üblichen Lichtrastermikroskopen die Fokusverstellmechanismen hochpräzise, was es erlauben würde, zuerst eine bekannte Referenzfläche anzufahren, und dann die Fokusebene auf den gewünschten Abstand zur Referenzfläche zu stellen, jedoch kann sich der Abstand der aktuellen Fokusebene gegenüber der Referenzfläche aufgrund thermischer Effekte, durch Erschütterungen oder durch andere Störeinflüsse zeitlich verändern. Man müßte dann intermittierend immer wieder den Abstand zur Referenzfläche überprüfen, was sehr aufwendig wäre.Adjusting the focal plane position is thus extremely important for a scanning microscope, especially when working with confocal detection. This is especially true if you have a Sample is used, which is thicker than the depth of field of the lens. It is then necessary to approach the plane which is to be measured before the measurement in the sample. Although the focus adjustment mechanisms are highly precise in conventional scanning microscopes, which would make it possible first to approach a known reference surface and then to set the focal plane to the desired distance from the reference surface, the distance between the current focal plane and the reference surface can be due to thermal effects, vibrations or temporally changed by other disturbances. One would then intermittently repeatedly check the distance to the reference surface, which would be very expensive.
Um mittels einer Abbildungsoptik in der Laser-Scanning-Mikroskopie präzise Abbildungen einer Probe bzw. eines Probenschnittes zu erhalten, ist es erforderlich, die Probe zum einen exakt in die Fokuslage der Abbildungslage der Optik zu stellen und zum anderen die Lage der Fokusebene in der Probe zu kennen. In diesem Zusammenhang sind im wesentlichen Triangulationsverfahren, abbildende Verfahren mit Kontrastauswertung und die Positionsbestimmung mittels schräg gestellter konvokaler Spaltblende bekannt. Bei Triangulationsverfahren wird ein kollimierter Laserstrahl in die Pupillenebene eines Objektives eingespiegelt und aus dem Verlauf dieses Laserstrahls relativ zum Abbildungsstrahlengang auf die z-Position des von der Probe reflektierten Laserlichts geschlossen. Bei der Abbildung des Laserlichts in unterschiedlich tief gelegene Ebenen der Probe treten jedoch Bildfehler auf, so daß die Autofokusgüte über einen gegebenen Tiefenschärfebereich stark variiert. Auch sind Schwankungen dahingehend festzustellen, ob das Meßergebnis vom Zentrum oder am Rand der Probe bzw. des verwendeten Detektors ermittelt wird. Üblicherweise wird ein Triangolationsverfahren deshalb itterativ ausgeführt, was verhältnismäßig zeitraubend ist.In order to obtain precise images of a sample or a sample section by means of imaging optics in laser scanning microscopy, it is necessary to place the sample exactly in the focal position of the imaging position of the optics and secondly the position of the focal plane in the sample to know. In this context, triangulation methods, imaging methods with contrast evaluation and position determination by means of obliquely arranged convocal slit are known. In Triangulationsverfahren a collimated laser beam is reflected in the pupil plane of an objective and closed from the course of this laser beam relative to the imaging beam path to the z position of the laser light reflected from the sample. When imaging the laser light into different levels of the sample, however, image errors occur so that the autofocus quality varies greatly over a given depth of field. Also, fluctuations are to be determined as to whether the measurement result from the center or at the edge of the sample or the detector used is determined. Usually, a triangulation method is therefore performed iteratively, which is relatively time consuming.
Bei abbildenden Verfahren mit Kontrastauswertung wird die Probe mit einer bestimmten Intensitätsverteilung beleuchtet, meist indem in eine Feldblendenebene eines Beleuchtungsstrahlengangs ein Gitter gestellt wird. Man nimmt eine Serie von Bildern mit unterschiedlichen Abständen zwischen Abbildungsoptik und Probe auf und ermittelt in dieser Serie das Bild mit dem höchsten Kontrast, dem dann der optimale Fokusabstand zugeordnet ist. Nachteilig hieran ist, daß zur Aufnahme der Bildserie verschiedene z-Positionen mit hoher Genauigkeit angefahren werden müssen, was wiederum zeitraubend ist.In imaging methods with contrast evaluation, the sample is illuminated with a specific intensity distribution, usually by placing a grid in a field stop plane of an illumination beam path. You take a series of images with different distances between imaging optics and sample and determined in this series, the image with the highest contrast, which is then assigned to the optimal focus distance. The disadvantage of this is that for recording the image series different z-positions must be approached with high accuracy, which in turn is time consuming.
Bei der Positionsbestimmung mittels schräg gestellter konvokaler Spaltblende wird in eine Feldblendenebene des Beleuchtungsstrahlengangs eine Spaltblende gestellt und auf die Probe abgebildet. Das von der Probe reflektierte Licht wird auf eine relativ zur Spaltblende geneigt angeordnete CCD-Zeile gerichtet und es wird die Position auf der CCD-Zeile bestimmt, an dem das reflektierte Licht ein Maximum hat. Dieses Verfahren ist sehr schnell, hat allerdings Probleme mit Verunreinigungen auf der Probe oder Probenoberfläche, die zu Intensitätsschwankungen führen können. Auch ist ein sehr großer Justieraufwand bei der Abbildung des Spaltes auf die CCD-Zeile aufzubringen, denn der Spalt muß, um eine hohe Genauigkeit erreichen zu können, sehr schmal sein. Eine Verbesserung der Positionsbestimmung mittels schräggstellter konvokaler Spaltblende ist in der DE 10319182A1 geschildert.When determining the position by means of an obliquely placed concave slit diaphragm, a slit diaphragm is placed in a field stop plane of the illumination beam path and imaged onto the sample. The light reflected from the specimen is directed to a CCD line inclined relative to the slit and the position on the CCD line where the reflected light has a maximum is determined. This procedure is very fast, though Problems with impurities on the sample or sample surface that can cause intensity fluctuations. Also, a very large Justieraufwand in the image of the gap on the CCD line to apply, because the gap must be very narrow in order to achieve high accuracy can be. An improvement of the position determination by means of obliquely placed convocal slit aperture is described in DE 10319182A1.
Allen Verfahren ist gemein, daß sie die Fokusebene zwar sehr genau finden können, jedoch die Lage dieser Fokusebene innerhalb der Probe, insbesondere bezüglich weiterer Grenzflächen, nur eingeschränkt zu ermitteln erlauben. Oftmals möchte man in der Laser-Scanning- Mikroskopie jedoch nicht nur die Meßebene exakt finden, sondern auch deren Lage d.h. Abstand zur Referenzebene ermitteln. Ein Bezug auf als Referenzebene dienende Grenzfläche kann entweder dadurch erfolgen, daß eine zweite Autofokuseinrichtung verwendet wird, die auf die Grenzfläche, z.B. eine Glas/Probengrenzfläche, fokussiert wird. Das erhöht natürlich den optischen Aufwand, und meist muß man einen Bereich der Detektions- bzw. Beleuchtungsapertur für diesen zusätzlichen Autofokus reservieren. Alternativ ist es im Stand der Technik bekannt, für kurze Zeit die Messung zu unterbrechen und durch eine z-Verstellung die Autofokuseinrichtung auf die gewünschte Referenzebene (Glas/Zellgrenzfläche) einzustellen. Der Abstand zwischen den beiden z-Einstellungen stellt dann den Abstand der Meßebene zur Referenzebene dar. Nachteilig ist dabei, daß die Messung für die Bestimmung des Abstandes zur Referenzebene unterbrochen werden muß.All methods have in common that they can find the focal plane while very accurate, but allow the location of this focal plane within the sample, especially with respect to other interfaces, only limited to determine. Often, however, laser scanning microscopy not only seeks to find the measuring plane exactly, but also to determine its position, i. Determine the distance to the reference plane. Reference to a reference plane interface can be accomplished either by using a second autofocus device which is placed on the interface, e.g. a glass / sample interface, is focused. Of course, this increases the optical complexity, and usually you have to reserve a range of detection or illumination aperture for this additional autofocus. Alternatively, it is known in the prior art to interrupt the measurement for a short time and adjust the autofocus device to the desired reference plane (glass / cell interface) by means of a z-adjustment. The distance between the two z-settings then represents the distance of the measurement plane to the reference plane. The disadvantage here is that the measurement must be interrupted for the determination of the distance to the reference plane.
Für übliche Mikroskope bekannte Autofokusansätze sind bei Lichtrastermikroskopen oftmals nicht verwendbar. Dies gilt für alle Ansätze, die eine strukturierte Beleuchtung der Probe vornehmen und anhand der Struktur die Fokussierung erreichen. Da bei einem Lichtrastermikroskop zu jedem Zeitpunkt aber nur ein Spot- oder Multispotbereich ohne Auflösung der Struktur des einzelnen Spots abgebildet wird, ist eine strukturierte Beleuchtung nicht möglich, da die Struktur nicht aufgelöst werden könnte. Ansätze wie aus der US 6.545.765 oder US 5.604.344, die für Autofokuszwecke eine strukturierte Probenbeleuchtung bewirken, sind deshalb für Lichtrastermikroskope generell untauglich.Autofocus approaches known for conventional microscopes are often unusable in light scanning microscopes. This applies to all approaches that make structured illumination of the sample and achieve the focus by means of the structure. However, since a light-scanning microscope displays only one spot or multi-spot area without dissolution of the structure of the individual spot at any time, structured illumination is not possible since the structure could not be resolved. Approaches such as those from US Pat. No. 6,545,765 or US Pat. No. 5,604,344, which effect structured sample illumination for autofocus purposes, are therefore generally unsuitable for light scanning microscopes.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Scanning-Mikroskop anzugeben, mit dem nicht nur die Lage der Meßebene exakt bestimmt werden kann, sondern zugleich auch der Abstand zu einer Referenzebene erfaßt werden kann. Insbesondere sollte für die Bestimmung der Referenzebene ein wiederholtes Verstellen der Probe in z-Richtung vermieden werden. Auch sollte eine genaue Bestimmung der Lage der Fokusebene aufwandsgering möglich sein. Diese Aufgabe wird durch ein Lichtrastermikroskop der eingangs genannten Art gelöst, das eine Autofokuseinrichtung zum Erfassen einer Lage der Fokusebene des Objektives aufweist, die unterschiedliche Tiefenbereiche am abgebildeten Spot- oder Multispotbereich auf unterschiedliche Orte eines ortsauflösenden Detektors abbildet. Das erfindungsgemäße Lichtrastermikroskop bildet somit an jedem Spot einen Tiefenausschnitt auf den ortsauflösenden Detektor ab, so daß die Lage nicht nur der Fokusebene sondern auch einer Referenzebene, beispielsweise eines Übergangsglas/Probenmaterial ermittelt werden kann. Das Lichtrastermikroskop ermittelt damit die Lage der Fokusebene bezogen zur Referenzebene. Der Fokusverstellmechanismus wird dann so angesteuert, daß der Abstand der Fokusebene, die die Meßebene darstellt, von der Referenzebene auf ein bestimmtes Maß konstant gehalten wird, bzw. sich anwendungsspezifischen Vorgaben gemäß verändert.The invention is therefore based on the object of specifying a laser scanning microscope, with which not only the position of the measurement plane can be determined exactly, but at the same time the distance to a reference plane can be detected. In particular, a repeated adjustment of the sample in the z-direction should be avoided for the determination of the reference plane. Also, an accurate determination of the position of the focal plane should be possible with little effort. This object is achieved by a light scanning microscope of the type mentioned above, which has an autofocus device for detecting a position of the focal plane of the objective, which images different depth ranges on the imaged spot or multispot area to different locations of a spatially resolving detector. The light scanning microscope according to the invention thus forms a depth cutout on the spot-resolving detector at each spot, so that the position not only of the focal plane but also of a reference plane, for example a transitional glass / sample material can be determined. The light scanning microscope thus determines the position of the focal plane relative to the reference plane. The Fokusverstellmechanismus is then controlled so that the distance of the focal plane, which represents the measurement plane, is kept constant by the reference plane to a certain extent, or changed according to application-specific specifications.
Die Erfindung setzt also erstmals eine tiefenaufgelöste Abbildung des Spot- oder Multispotbereiches zur Autofokussierung ein. Um die Tiefenauflösung wiederzugeben, genügt ein eindimensionales Detektorelement. Die Koordinate des Detektorelementes skaliert die Tiefeninformation. Die Intensität der abgebildeten Strahlung aus dem Spot- oder Multispotbereich hängt von der einen Ortskoordinate des Detektorelementes ab, welche wiederum unter Berücksichtigung der Abbildungsgegebenheiten der Tiefenkoordinate zugeordnet ist.The invention thus for the first time uses a depth-resolved image of the spot or multispot area for autofocusing. To reproduce the depth resolution, a one-dimensional detector element suffices. The coordinate of the detector element scales the depth information. The intensity of the imaged radiation from the spot or multi-spot region depends on the one spatial coordinate of the detector element, which in turn is assigned taking into account the imaging conditions of the depth coordinate.
In der einfachsten Bauweise genügt folglich eine Detektorzeile, auf die die tiefenabhängige ortsaufgelöste Abbildung so erfolgt, daß unterschiedliche Tiefenbereiche auf unterschiedliche Bereiche der Detektorzeile zur Abbildung gebracht sind. Die Mitte der Detektorzeile befindet sich in einer zur Fokalebene konjugierten Ebene, anstatt der sonst üblichen konfokalen Blende.In the simplest construction, therefore, a detector line is sufficient, to which the depth-dependent spatially resolved imaging takes place such that different depth ranges are brought to different areas of the detector row for imaging. The center of the detector line is in a plane conjugate to the focal plane rather than the otherwise confocal aperture.
Die tiefenauflösende Abbildung kann mittels einer der Detektorzeile vorgeschalteten anamorphotischen Optik realisiert werden, die auf die Detektorzeile einen Linienfokus bündelt, der mit der Detektorzeile in einer Ebene liegt und die Detektorzeile schneidet. Eine Verkippung der anamorphotischen Optik oder der Detektorzeile realisiert diese geometrische Anordnung besonders einfach. Die anamorphotische Optik kann beispielsweise als Zylinderlinse, als torische Linse oder als Kombination eines eindimensionalen holographischen Diffusors mit einer sphärischen Linse realisiert werden.The deep-resolution image can be realized by means of an anamorphic optical system arranged in front of the detector line, which focuses a line focus on the detector line, which lies in one plane with the detector line and intersects the detector line. A tilting of the anamorphic optics or the detector line realizes this geometric arrangement particularly simple. The anamorphic optics can be realized for example as a cylindrical lens, as a toric lens or as a combination of a one-dimensional holographic diffuser with a spherical lens.
Beim Lichtrastermikroskop kommen prinzipiell der Anregungs- oder der Detektionsstrahlengang in Frage, um die Strahlung für die Autofokuseinrichtung auszukoppeln. Vorteilhafterweise erfolgt die Einbindung in den Beleuchtungsstrahlengang. Dann wird Beleuchtungslicht, das aus der Fokusebene des Objektes bzw. von der Referenzebene zurückreflektiert wird, in der Autofokuseinrichtung verwendet. Eine Erhöhung der Strahlungsleistung, mit der Beleuchtungslicht auf das Objekt gerichtet ist, ist nicht nötig, da die Autofokuseinrichtung sich auf die Strahlungsintensität im Detektionsstrahlengang in keiner Weise auswirkt. Aus baulichen Gründen kann es natürlich auch angezeigt sein, die Autofokuseinrichtung in den Detektionsstrahlengang einzubinden. Da das Autofokusverfahren auf reflektiertes Licht von einer Referenzebene angewiesen ist, sollte dafür Sorge getroffen werden, daß der Spektralbereich des Anregungslichtes zur Autofokuseinrichtung in den Detektionsstrahlengang gelangen kann. Bei einem Laserscanningmikroskop, dessen Detektoren entsprechende Anregungsfilter vorgeschaltet sind, die Anregungslicht abblocken, ist im Detektionsstrahlengang bis zu diesen Anregungsfiltern diese Bedingung üblicherweise erfüllt. Durch das konfokale Prinzip wird zurückgestreutes Licht aus anderen als der Probenebene unterdrückt. Durch reflektierende Grenzflächen Glas/Luft, Glas/Wasser oder auch Glas/Probe werden aber Geisterbilder erzeugt, die nicht konfokal unterdrückt werden, wenn sie auf die schräge Zeile abgedrückt werden. Diese dienen nun zur Autofokussierung. Die Referenzebene ist stets eine reflektierende Grenzfläche.In principle, the excitation or the detection beam path can be used in the light-scanning microscope in order to decouple the radiation for the autofocus device. Advantageously, the integration takes place in the illumination beam path. Then, illumination light reflected back from the focal plane of the object or from the reference plane is used in the autofocus device. An increase in radiant power, with the Lighting light is directed to the object is not necessary because the autofocus device has no effect on the radiation intensity in the detection beam path. For structural reasons, it may of course also be appropriate to integrate the autofocus device in the detection beam path. Since the autofocus method relies on reflected light from a reference plane, care should be taken that the spectral range of the excitation light to the autofocus device can enter the detection beam path. In a laser scanning microscope whose detectors are preceded by corresponding excitation filters which block the excitation light, this condition is usually met in the detection beam path up to these excitation filters. The confocal principle suppresses backscattered light from other than the sample plane. However, reflective surfaces such as glass / air, glass / water or even glass / sample produce ghost images which are not confocally suppressed when they are pressed onto the oblique line. These are now used for autofocusing. The reference plane is always a reflective interface.
Die Auskopplung der Strahlung für die Autofokuseinrichtung im Strahlengang zwischen Detektormodul bzw. Anregungsmodul und dem Scanner, also bei ruhendem Strahl, bewirkt vorteilhafterweise, daß die Tiefeninformation über die gesamte abgebildete Fläche des Objektes gemittelt wird. Einzelne Objektbereiche in der Fokusebene, die keine Strahlung rückstreuen, wirken sich dann nicht störend aus.The decoupling of the radiation for the autofocus device in the beam path between the detector module or excitation module and the scanner, ie when the beam is at rest, advantageously causes the depth information to be averaged over the entire imaged area of the object. Individual object areas in the focal plane, which do not scatter radiation, then do not interfere.
Die Autofokuseinrichtung erlaubt es dem Lichtrastermikroskop nun, den Fokusverstellmechanismus wunschgemäß anzusteuern. Es ist deshalb eine Weiterbildung bevorzugt, bei der eine Steuereinheit vorgesehen ist, die Signale der Autofokuseinrichtung ausliest und den Fokusverstellmechanismus ansteuert.The autofocus device now allows the light scanning microscope to control the focus adjustment mechanism as desired. Therefore, a development is preferred in which a control unit is provided which reads out the signals of the autofocus device and actuates the focus adjustment mechanism.
Zweckmäßigerweise wird die Steuereinheit aus den Signalen die Lage der Fokusebene im Bezug auf eine Referenzebene ermitteln. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Steuereinheit aus den Signalen ein Maß für einen Abstand zwischen der Fokusebene des Objektives und einer Referenzebene am Objekt feststellt und gegebenenfalls bei der Ansteuerung des Fokusverstellmechanismus berücksichtigt.Expediently, the control unit will use the signals to determine the position of the focal plane with respect to a reference plane. It is therefore preferred that the control unit from the signals determines a measure of a distance between the focal plane of the lens and a reference plane on the object and optionally taken into account in the control of the Fokusverstellmechanismus.
Die Signale der Autofokuseinrichtung können in den genannten Ausführungsformen das Signal der Detektorzeile sein. Das Signal wird üblicherweise mindestens zwei Intensitätsmaxima aufweisen: das erste Maximum entspricht der Lage der aktuellen Meßposition, d.h. der Lage der Fokusebene, das zweite Maximum ist der Lage der Referenzebene, beispielsweise einer Glas-/Probenmaterialgrenzfläche zuzuordnen. Der Abstand der beiden Maxima liefert den Abstand zwischen Fokusebene und Referenzebene, wobei die Funktion, mit der die Tiefenauflösung auf die Ortsauflösung des Detektors übertragen wird, zu berücksichtigen ist. Je nach Ausführungsform kann hierbei der Winkel zwischen Linienfokus und Längsachse der Detektorzeile, die Schärfentiefe des Objektives und der Abbildungsmaßstab eingehen, um den Abstand zwischen den Maxima in den Abstand zwischen Fokusebene und Referenzebene umzurechen. Die Breite der Maxima wird dabei in der Regel von der Schärfentiefe des Objektivs bestimmt.The signals of the autofocus device can be the signal of the detector line in the mentioned embodiments. The signal will usually have at least two intensity maxima: the first maximum corresponds to the position of the current measuring position, ie the position of the focal plane, the second maximum is the position of the reference plane, for example, to assign a glass / sample material interface. The distance between the two maxima provides the distance between focal plane and reference plane, wherein the function with which the depth resolution is transmitted to the spatial resolution of the detector is taken into account. Depending on the embodiment, the angle between the line focus and the longitudinal axis of the detector line, the depth of field of the objective and the image scale can be used to convert the distance between the maxima into the distance between the focal plane and the reference plane. The width of the maxima is usually determined by the depth of field of the lens.
Die anamorphotische Optik erzeugt den erwähnten Linienfokus. Die Intensitätsverteilung längs des Linienfokus ist dabei nur selten konstant, bzw. nur wenn erheblicher Aufwand getrieben wird. Einfacher ist es, bei der Bestimmung der Maxima die Intensitätsverteilung längs des Linienfokuses zu berücksichtigen. Im Falle einer Zylinderoptik entspricht die Intensitätsverteilung längs der Linie dabei der Intensitätsverteilung der Spotbeleuchtung mit Anregungslicht.The anamorphic optic produces the mentioned line focus. The intensity distribution along the line focus is rarely constant, or only when considerable effort is driven. It is simpler to consider the intensity distribution along the line focus when determining the maxima. In the case of a cylinder optic, the intensity distribution along the line thereby corresponds to the intensity distribution of the spot illumination with excitation light.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch ein Laser-Scanning-Mikroskop, das Beleuchtungsstrahlung durch einen Beleuchtungsstrahlengang auf eine Probe richtet und an der Probe emittierte Strahlung in einem Detektionsstrahlengang detektiert, wobei das Mikroskop aufweist einen in den Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang derart einsetzbaren Strahlteiler, daß der Strahlteiler im eingesetzten Zustand an der Probe reflektierte Beleuchtungsstrahlung aus dem Beleuchtungs- bzw. Detektionsstrahlengang längs einer optischen Achse der Autofokusvorrichtung auskoppelt, einem dem Strahlteiler in Bezug auf die ausgekoppelte Beleuchtungsstrahlung nachgeordneten, anamorphotischen Optikelement, das die ausgekoppelte Beleuchtungsstrahlung in einen Linienfokus bündelt und einem dem Optikelement nachgeordneten Zeilen- oder Flächen-Detektor der einen für Beleuchtungsstrahlung empfindlichen Bereich hat, der in einer Ebene liegt, welche von dem Linienfokus und der optischen Achse aufgespannt ist, wobei das Optikelement und der Detektor zueinander so angeordnet und gegeneinander so verkippt sind, daß der Linienfokus mit dem empfindlichen Bereich einen Winkel größer 0° und kleiner 90° einschließt.This object is also achieved according to the invention by a laser scanning microscope which directs illumination radiation through an illumination beam path onto a sample and detects radiation emitted on the sample in a detection beam path, wherein the microscope has a beam splitter which can be used in the illumination or detection beam path the beam splitter in the inserted state at the sample reflected illumination radiation from the illumination or detection beam path along an optical axis of the autofocus device decouples, a the beam splitter with respect to the decoupled illumination radiation downstream, anamorphic optical element which focuses the decoupled illumination radiation in a line focus and a the Optical element subordinate line or area detector which has an area sensitive to illumination radiation, which lies in a plane which au of the line focus and the optical axis is biased, wherein the optical element and the detector are arranged to each other and tilted against each other so that the line focus with the sensitive area forms an angle greater than 0 ° and less than 90 °.
Vorzugsweise nutzt die Autofokuseinrichtung des Mikroskopes, welche entweder als eigenständiges Modul oder fest eingebaut in dem Laser-Scanning-Mikroskop vorgesehen sein kann, an der Probe reflektierte bzw. zurückgestreute Beleuchtungsstrahlung für die Fokussierung. Bei der Fluoreszenzmikroskopie ist diese Beleuchtungsstrahlung Anregungsstrahlung, weshalb diese Begriffe nachfolgend auch austauschbar verwendet werden. Verwendung der Beleuchtungsstrahlung hat den Vorteil, daß bei einer strahlungsempfindlichen Probe keine zusätzliche Belastung durch Einstrahlung von Strahlung erfolgt, die lediglich für den Autofokus benötigt wird. Wollte man im Stand der Technik diese Belastung vermeiden, müßte Beleuchtungsstrahlung für die Autofokusvorrichtung spektral so gewählt werden, daß sie die Probe nicht schädigt. Dies hätte aber zur Folge, daß die chromatischen Anforderungen an das Mikroskop deutlich steigen. Beide Probleme vermeidet die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Mikroskop durch die Verwendung der ohnehin zur Mikroskopie eingestrahlten Beleuchtungsstrahlung.Preferably, the autofocus device of the microscope, which can be provided either as a standalone module or permanently installed in the laser scanning microscope, uses reflected or backscattered illumination radiation for the focusing on the sample. In fluorescence microscopy, this illumination radiation is excitation radiation, which is why these terms are also used interchangeably below. The use of the illumination radiation has the advantage that, in the case of a radiation-sensitive sample, there is no additional exposure to radiation of radiation which is only required for autofocus. If you wanted in the prior art this To avoid stress, illumination radiation for the autofocus device would have to be selected spectrally so that it does not damage the specimen. However, this would mean that the chromatic demands on the microscope rise significantly. Both problems avoids the device according to the invention or the microscope according to the invention by the use of the already irradiated for microscopy illumination radiation.
Die erfindungsgemäße Autofokuseinrichtung koppelt von der Probe zurückkehrende Beleuchtungsstrahlung entweder im Beleuchtungsstrahlengang oder im Detektionsstrahlengang aus und leitet sie auf eine Detektorzeile. Dabei kommt ein anamorphotisches Optikelement zum Einsatz, das die ausgekoppelte Strahlung in eine Brennlinie bündelt. Ein Detektor detektiert die Strahlung, wobei das anamorphotische Element und der Detektor auf eine bestimmte Art und Weise derart zueinander ausgerichtet sind, daß ein strahlungsempfindlicher Bereich des Detektors schräg zur Längserstreckung der Brennlinie liegt. Der Detektor weist einen empfindlichen Bereich auf, der Zeilen- oder linienförmig ist. Dies kann durch Verwendung eines Zeilen-Detektors realisiert werden. Alternativ kommt natürlich auch ein Flächen-Detektor in Frage, der im entsprechenden Zeilen- oder linienförmigen Abschnitt ausgelesen wird. Weiter erlaubt der Detektor eine Ortsauflösung längs des zeilenförmigen, empfindlichen Bereiches.The autofocus device according to the invention couples illuminating radiation returning from the specimen either in the illumination beam path or in the detection beam path and directs it onto a detector line. An anamorphic optical element is used, which bundles the decoupled radiation into a focal line. A detector detects the radiation, wherein the anamorphic element and the detector are aligned in a certain manner to each other such that a radiation-sensitive region of the detector is oblique to the longitudinal extent of the focal line. The detector has a sensitive area that is line or line shaped. This can be realized by using a line detector. Alternatively, of course, an area detector comes into question, which is read in the corresponding line or line-shaped section. Furthermore, the detector allows a spatial resolution along the line-shaped, sensitive area.
Das anamorphotische Element und der Strahlteiler sind hinsichtlich der Anordnung im Beleuchtungs- bzw. Detektionsstrahlengang so justiert, daß unterschiedliche Ebenen in derThe anamorphic element and the beam splitter are adjusted with respect to the arrangement in the illumination or detection beam path so that different levels in the
Probe auf unterschiedliche Brennlinien abgebildet werden, die hinsichtlich ihrerSample are mapped to different focal lines, in terms of their
Längserstreckung zueinander parallel liegend die optische Achse des Autofokusstrahlengangs in unterschiedlichen Abständen zum Strahlteiler schneiden. Somit liegt der Schnittpunkt zweierLongitudinal extent lying parallel to each other, the optical axis of the autofocus beam path at different distances to the beam splitter cut. Thus, the intersection of two
Brennlinien, die beabstandeten Ebenen in der Probe zugeordnet sind, an unterschiedlicher Längsposition des empfindlichen Detektorbereichs und ein Auswerten der Detektorsignale liefert bei Berücksichtigung der verwendeten Geometrie und Abbildungsverhältnisse eine direkte Aussage über den Abstand der Ebenen in oder an der Probe. In einer besonders einfachen Ausgestaltung wird man den Detektor so ausrichten, daß der empfindliche Bereich in der aus Längsrichtung der Brennlinie und optischer Achse des Autofokusstrahlengangs aufgespannten Ebene und schräg zur optischen Achse liegt. Diese Bauweise, bei der derFocal lines, which are assigned to spaced planes in the sample, at different longitudinal position of the sensitive detector area and an evaluation of the detector signals provides a direct statement about the distance of the planes in or on the sample, taking into account the geometry and imaging conditions used. In a particularly simple embodiment, the detector will be aligned so that the sensitive area lies in the plane defined by the longitudinal direction of the focal line and the optical axis of the autofocus beam path and at an angle to the optical axis. This construction, in which the
Detektor mit seinem zeilenförmigen empfindlichen Bereich schräg zur optischen Achse steht, ist besonders einfach zu realisieren.Detector with its line-shaped sensitive area is inclined to the optical axis, is particularly easy to implement.
Natürlich kann auch umgekehrt die Brennlinie schräg zur optischen Achse verlaufen und der empfindliche Bereich steht beispielsweise senkrecht auf der optischen Achse. In beiden Fällen, für die es natürlich Zwischenstufen mit sowohl schräg gestellter Brennlinie als auch schräg gestelltem empfindlichen Bereich des Detektors gibt, ist erreicht, daß zumindest für einige Fokuslagen des Mikroskopobjektives die Brennlinie den empfindlichen Detektorbereich schneidet und beide im wesentlichen in derselben Ebene liegen, in der sich auch die optische Achse befindet. Der Schnittpunkt zwischen Brennlinie und empfindlichen Detektorbereich hängt bezüglich seiner Lage längs des empfindlichen Detektorbereichs von der Lage der Brennlinie auf der optischen Achse und damit von der Lage der zugeordneten Ebene in der Probe ab.Of course, conversely, the focal line extend obliquely to the optical axis and the sensitive area is, for example, perpendicular to the optical axis. In both cases, for which there are, of course, intermediate stages with both inclined focal line and inclined sensitive area of the detector, it is achieved that, at least for some focal positions of the microscope objective, the focal line is the sensitive detector area and both lie substantially in the same plane as the optical axis. The point of intersection between the focal line and the sensitive detector area depends, with regard to its position along the sensitive detector area, on the position of the focal line on the optical axis and thus on the position of the associated plane in the sample.
Wesentlich für das anamorphotische Optikelement ist, daß es die erwähnte Brennlinie erzeugt, also einen Linienfokus aufweist. Beispielshalber kann dies durch Verwendung einer Zylinderlinse, einer torischen Linse oder eines eindimensionalen, holografischen Diffusors erreicht werden.Essential for the anamorphic optical element is that it generates the aforementioned focal line, that is, has a line focus. By way of example, this can be achieved by using a cylindrical lens, a toric lens or a one-dimensional, holographic diffuser.
Zur Ermittlung der Abstände mehrerer Ebenen in der Probe, insbesondere zur Ermittlung des Abstandes zwischen Fokusebene des Objektives und einer Referenzebene ist es zweckmäßig, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die diese Signale des Detektors ausliest und die Lagen von Intensitätsmaxima längs des empfindlichen Bereiches ermittelt. Intensitätsmaxima sind mit Schnittpunkten von Brennlinien verknüpft, so daß unter Berücksichtigung des Winkels, um den Linienfokus und empfindlicher Bereich gegeneinander verkippt sind, sehr einfach der Abstand der Brennlinien längs der optischen Achse der Autofokusvorrichtung bestimmt werden kann. Unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes des Mikroskops berechnet die Steuereinrichtung damit den Abstand der Fokusebene von einer Referenzebene.To determine the distances of several levels in the sample, in particular for determining the distance between the focal plane of the objective and a reference plane, it is expedient that a control device is provided which reads these signals of the detector and determines the layers of intensity maxima along the sensitive area. Intensity maxima are associated with intersections of focal lines, so that taking into account the angle to which the line focus and sensitive range are tilted against each other, the distance of the focal lines along the optical axis of the autofocus device can be determined very simply. Taking into account the reproduction scale of the microscope, the control device thus calculates the distance of the focal plane from a reference plane.
Das anamorphotische Optikelement erzeugt die Brennlinie in der Regel mit einer bestimmten Intensitätsverteilung längs der Linie. Diese Intensitätsverteilung führt natürlich dazu, daß die Intensitätsmaxima unterschiedlich ausfallen, je nach dem welcher Abschnitt der Brennlinie den empfindlichen Bereich des Detektors schneidet. Die Inhomogenität der Brennlinie wird deshalb zweckmäßigerweise von der Steuereinrichtung bei der Ermittlung der Lagen der Intensitätsmaxima berücksichtigt, beispielsweise in dem eine Korrekturfunktion angewendet wird.The anamorphic optical element usually generates the focal line with a certain intensity distribution along the line. Of course, this intensity distribution will cause the intensity maxima to vary, depending on which portion of the focal line intersects the sensitive area of the detector. The inhomogeneity of the focal line is therefore expediently taken into account by the control device in determining the positions of the intensity maxima, for example in which a correction function is used.
Die Autofokuseinrichtung kann in den Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang eines Laser- Scanning-Mikroskops als Modul eingesetzt werden oder bereits im Mikroskop dort vorgesehen sein. Bei der Anordnung im Detektionsstrahlengang darf natürlich zwischen der Probe und dem Strahlteiler keine Abblockung von Beleuchtungsstrahlung erfolgen, d.h. es muß ein farbneutraler Strahlteiler vorgesehen sein und eventuelle Blockfilter müssen bezogen auf die Probe dem Strahlteiler nachgeordnet sein.The autofocus device can be used as a module in the illumination or detection beam path of a laser scanning microscope or can already be provided there in the microscope. In the arrangement in the detection beam path, of course, no blocking of illumination radiation must occur between the sample and the beam splitter, i. It must be provided a color neutral beam splitter and any block filter must be arranged downstream of the beam splitter relative to the sample.
Bei Laser-Scanning-Mikroskopen ist üblicherweise ein Abrastern der Probe vorgesehen. Günstigerweise wird man den Strahlteiler der Autofokusvorrichtung im ruhenden Teil des Strahlenganges des Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlenganges anordnen. Dies hat den Vorteil, daß die Autofokusvorrichtung über ein Bild gemittelte Strahlung auswertet, wenn der Detektor über einen Zeitraum integriert, der länger ist, als die Abrasterung zumindest eines Schnittes der Probe dauert.In laser scanning microscopes usually a scanning of the sample is provided. It is favorable to arrange the beam splitter of the autofocus device in the stationary part of the beam path of the illumination or detection beam path. This has the Advantage, that the autofocus device evaluates averaged radiation over an image when the detector integrates over a period of time that is longer than the scanning of at least one section of the sample takes.
Wie bereits erwähnt, setzt die erfindungsgemäße Autofokuseinrichtung bzw. das erfindungsgemäße Mikroskop eine in der Probe liegende Ebene in eine Brennlinie um, wobei beabstandete Ebenen in der Probe beabstandeten Brennlinien entsprechen, die wiederum gemäß dem Abbildungsmaßstab auf der optischen Achse der Autofokusvorrichtungen beabstandet sind. Einen besonders großen Meßbereich erhält man, wenn man den Strahlteiler sowie das anamorphotische Optikelement so einjustiert, daß die Fokusebene des Objektives zu einer Brennlinie konjugiert ist, die die optische Achse im empfindlichen Bereich des Detektors schneidet. Der empfindliche Bereich des Detektors, die optische Achse und die der Fokusebene des Objektivs zugeordneter Brennlinie schneiden sich also idealerweise möglichst in einem Punkt. Dann ist ein symmetrischer Bereich vor und nach der Objektivfokusebene gegeben, in dem Referenzebenen liegen können. Möchte man einen möglichst großen Suchbereich hinsichtlich der Referenzebene in einer Richtung realisieren, wird man die Justierung dahingehend einstellen, daß die der Fokusebene des Objektivs zugeordnete Brennlinie den empfindlichen Bereich des Detektors nahe dessen linken oder rechten Rand schneidet.As already mentioned, the autofocus device or the microscope according to the invention converts a plane lying in the sample into a focal line, with spaced planes in the sample corresponding to spaced focal lines, which in turn are spaced according to the magnification on the optical axis of the autofocus devices. A particularly large measuring range is obtained by adjusting the beam splitter and the anamorphic optical element so that the focal plane of the objective is conjugate to a focal line which intersects the optical axis in the sensitive region of the detector. The sensitive area of the detector, the optical axis and the focus plane of the objective associated focal line thus ideally intersect as possible in one point. Then there is a symmetrical region before and after the lens focus plane in which reference planes can lie. If one wishes to realize the largest possible search range with respect to the reference plane in one direction, one will adjust the adjustment such that the focal plane associated with the focal plane of the objective intersects the sensitive area of the detector near its left or right edge.
Die erfindungsgemäße Autofokuseinrichtung bzw. das erfindungsgemäße Mikroskop eignet sich besonders, wie erwähnt, um den Abstand zwischen der aktuellen Fokusebene und einer Referenzebene zu bestimmen. Als Referenzebene kommt beispielsweise ein Glas/Probenübergang in Frage, der bei herkömmlichen Proben entweder an der Unterseite der Probe (d. h. am Objektträger) oder an der Oberseite der Probe (am Deckglas) vorliegt. Zweckmäßigerweise wird die Steuereinrichtung die Lagen der Intensitätsmaxima solchen Grenzflächen in oder an der Probe zuordnen.The autofocus device or the microscope according to the invention is particularly suitable, as mentioned, to determine the distance between the current focal plane and a reference plane. As a reference plane, for example, a glass / sample transition is possible, which is present in conventional samples either at the bottom of the sample (i.e., at the slide) or at the top of the sample (on the coverslip). The control device is expediently assigned the positions of the intensity maxima of such interfaces in or on the sample.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings by way of example. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Lichtrastermikroskops mit einerFig. 1 is a schematic representation of a light scanning microscope with a
Autofokuseinrichtung;Autofocus device;
Fig. 2a - c unterschiedliche Bauweisen für die Autofokuseinrichtung der Figur 1 ,2a-c different constructions for the autofocus device of Figure 1,
Fig. 3 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines mit dem Lichtrastermikroskop der Figur 1 erfaßten Objektes,3 is a simplified sectional view of an object detected by the light scanning microscope of FIG. 1,
Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung eines Signalverlaufes, wie er mit derFig. 4 is a simplified representation of a signal waveform, as with the
Autofokuseinrichtung des Lichtrastermikroskops der Figur 1 anfällt, Fig. 5 eine Schemadarstellung des Objektives zusammen mit der Autofokusvorrichtung der Fig. 1 und Fig. 6 eine Schemadarstellung zur Erläuterung geometrischer Beziehung innerhalb derAutofocus device of the light scanning microscope of Figure 1 is obtained 5 is a schematic diagram of the objective together with the autofocus device of FIG. 1; and FIG. 6 is a schematic diagram for explaining geometrical relationship within FIG
Autofokusvorrichtung und der daraus resultierenden Detektionssignale.Autofocus device and the resulting detection signals.
Figur 1 zeigt schematisch ein als Laserscanningmikroskop (LSM) 1 ausgebildetes Lichtrastermikroskop. Mit dem Laserscanningmikroskop 1 wird ein Objekt 2 auf noch zu erläuternde Art vermessen. Das Laserscanningmikroskop 1 ist im wesentlichen in ein Beleuchtungs- oder Anregungsmodul 3, ein Detektionsmodul 4 sowie ein Mikroskopmodul 5 unterteilbar. Das Anregungsmodul 3 stellt Anregungsstrahlung bereit und speist diese in das Mikroskopmodul 5 ein, so daß sie als spotförmige Beleuchtung auf das Objekt 2 gerichtet wird. Die spotförmige Beleuchtung wird vom Mikroskopmodul 5 rasternd über das Objekt 2 geführt. Der am Objekt 2 dabei mit Anregungsstrahlung aus dem Anregungsmodul 3 beleuchtete Spotbereich wird über das Mikroskopmodul 5 vom Detektionsmodul 4 konfokal detektiert, z.B. in Form einer Fluoreszenzanalyse.FIG. 1 schematically shows a light scanning microscope designed as a laser scanning microscope (LSM) 1. With the laser scanning microscope 1, an object 2 is measured in a manner yet to be explained. The laser scanning microscope 1 is essentially subdivided into an illumination or excitation module 3, a detection module 4 and a microscope module 5. The excitation module 3 provides excitation radiation and feeds it into the microscope module 5, so that it is directed to the object 2 as spot-shaped illumination. The spot-shaped illumination is guided by the microscope module 5 in a scanning manner over the object 2. The spot area illuminated at the object 2 with excitation radiation from the excitation module 3 is confocally detected by the detection module 4 via the microscope module 5, e.g. in the form of a fluorescence analysis.
Das Mikroskopmodul 5 weist ein Objektiv 6 auf, das mittels eines Antriebes A in einer Fokusverstellung FV hinsichtlich der Lage der Fokusebene im Objekt 2 verändert werden kann. Diese Fokusverstellung ist beispielsweise in der DE 197 02 753 A1 näher erläutert.The microscope module 5 has an objective 6, which can be changed by means of a drive A in a focus adjustment FV with respect to the position of the focal plane in the object 2. This focus adjustment is explained in more detail for example in DE 197 02 753 A1.
Dem Objektiv 6 ist eine Tubuslinse 7 vorgeschaltet. Die vom Anregungsmodul 3 kommende Strahlung wird mittels einer Scanoptik 8 sowie eines Scanners 9 durch die Tubuslinse 7 und das Objektiv 6 als rasternder Spot über das Objektiv 2 geführt. Gleichzeitig bewirkt der Scanner 9 in ungekehrter Strahlrichtung zum Detektionsmodul 4 hin ein sogenanntes de-scannen, so daß nach dem Scanner 9 im Detektionsmodul 4 wieder ein ruhender Strahl vorliegt.The objective 6 is preceded by a tube lens 7. The radiation coming from the excitation module 3 is guided via the objective 2 by means of a scanning optics 8 and a scanner 9 through the tube lens 7 and the objective 6 as a scanning spot. At the same time, the scanner 9 causes a so-called de-scanning in the reverse direction of the beam towards the detection module 4, so that after the scanner 9 in the detection module 4 there is again a stationary beam.
Der Anregungsstrahlengang des Anregungsmoduls 3 und der Detektionsstrahlengang des Detektionsmoduls 4 sind über einen Hauptfarbteiler HFT vereinigt.The excitation beam path of the excitation module 3 and the detection beam path of the detection module 4 are combined via a main color splitter HFT.
Die Wirkung des Hauptfarbteilers HFT ist ebenfalls der bereits genannten DE 197 02 753 A1 zu entnehmen. Anstelle eines dichroitischen Hauptfarbteilers kann auch ein farbneutraler Teiler verwendet werden, wie er beispielsweise in der DE 102 57 237 A1 geschildert ist.The effect of the main color splitter HFT is likewise to be found in the already mentioned DE 197 02 753 A1. Instead of a dichroic main color divider, a color-neutral divider can also be used, as described, for example, in DE 102 57 237 A1.
Im Detektionsstrahlengang des Detektionsmoduls 4 wird die Strahlung über weitere, nicht näher bezeichnete Farbteiler in einzelne Detektionskanäle aufgeteilt, die jeweils aus einem Photomultiplier 14 mit vorgeschaltetem Pinhole 15 sowie Pinholeoptik 16 aufgebaut sind. Das Pinhole 15 engt den Detektionsbereich nahezu vollständig auf die theoretische Fokalebene ein; außerhalb dieser Fokalebene erzeugte Strahlung kann das Pinhole 15 nicht passieren. Der Hauptstrahlteiler HFT transmittiert also die Detektionsstrahlung, beispielsweise aufgrund geeigneter spektraler Filtereigenschaften oder durch geeignete geometrische Ausbildung in Form von Teilverspiegelung, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Im Detektionsstrahlengang wird die Strahlung über Nebenteiler sowie die Pinholeoptiken 16 und die Pinholeblenden 15 zu den PMT-Detektoren geleitet. Insgesamt findet eine konfokale Abbildung des beleuchteten Probenspots auf der Probe 2 auf die PMT-Detektoren 14 statt. Die unterschiedlichen Detektionszweige unterscheiden sich in ihrer spektraler Analysefähigkeit, so daß das hier exemplarisch dargestellte LSM 1 mehrere Spektralkanäle haben kann. Wie die strichpunktierte Linie bei 30 andeutet, können auch noch weitere Detektionsmodule verwendet werden. Insgesamt handelt es sich beim LSM 1 um ein Laser-Scanning-Mikroskop bekannter Bauart.In the detection beam path of the detection module 4, the radiation is divided by further, unspecified color divider into individual detection channels, which are each constructed of a photomultiplier 14 with upstream Pinhole 15 and Pinholeoptik 16. The pinhole 15 narrows the detection area almost completely to the theoretical focal plane; Radiation generated outside this focal plane can not pass through the pinhole 15. The main beam splitter HFT thus transmits the detection radiation, for example due to suitable spectral filter properties or by suitable geometric formation in the form of partial mirroring, as is known in the prior art. In the detection beam path, the radiation is conducted via secondary divider and the Pinholeoptiken 16 and the Pinholeblenden 15 to the PMT detectors. Overall, a confocal image of the illuminated sample spot on the sample 2 on the PMT detectors 14 takes place. The different detection branches differ in their spectral analysis capability, so that the LSM 1 shown here by way of example can have several spectral channels. As indicated by the dot-dash line at 30, even more detection modules can be used. Overall, the LSM 1 is a laser scanning microscope of known design.
Das Anregungsmodul 3 bewirkt eine Beleuchtung des Spots mit Strahlung verschiedener Wellenlängen. Dazu sind verschiedene Beleuchtungskanäle vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel jeweils aus einem Laseranschluß 10 bzw. 12 zum Einkoppeln der Strahlung eines Lasers sowie Einkoppeloptik 11 bzw. 13 aufgebaut sind und welche über eine nicht näher bezeichnete Spiegeltreppe vereinigt werden. Zur Einstellung des Spotdurchmessers ist ein Teleskop 17 vorgesehen, das für die Einkopplung entsprechend konditionierter Strahlung am Hauptfarbteiler HFT sorgt.The excitation module 3 causes an illumination of the spot with radiation of different wavelengths. For this purpose, different illumination channels are provided, which are each constructed in the embodiment of a laser terminal 10 and 12 for coupling the radiation of a laser and coupling optics 11 and 13 and which are combined via an unspecified mirror staircase. To set the spot diameter, a telescope 17 is provided, which ensures the coupling according to conditioned radiation at the main color divider HFT.
Das LSM 1 verfügt jedoch zusätzlich über eine Autofokusvorrichtung 22, die in der dargestellten Ausführungsform in dem Beleuchtungsstrahlengang eingebaut ist. Dazu sitzt ein Strahlteiler als Auskoppler 18 im Beleuchtungsstrahlengang 2, der am Anregungsmodul 3 vom Objekt 2 in den Anregungsstrahlengang des Anregungsmoduls 3 rückgestreute Strahlung auskoppelt und über hier als Anamorphot ausgebildete Optik 19 in einen Linienfokus LF bündelt. Im Falle eines Laserscanningmikroskops 1 mit Punktrasterung handelt es sich bei der Optik 19 um einen Anamorphot. Bei einem linienscannenden Mikroskop kann eine sphärische Optik 19 verwendet werden, da diese dann schon einen Liniefokus liefert. Der Linienfokus LF ist auf eine Detektorzeile 20 gerichtet, die mit der optischen Achse OA einen Winkel α einschließt und vom Linienfokus LF geschnitten wird. Der Linienfokus LF und die Detektorzeile 20 liegen also in einer Ebene. Der Anamorphot 19 und die Detektorzeile 20 bilden eine Autofokuseinrichtung 22, deren Funktionsweise anhand der Figuren 3 und 4 noch erläutert wird. Die dabei vorliegende Geometrie wird nachfolgend noch anhand der Figuren 5 und 6 näher beschrieben. Wesentlich ist hier insoweit, daß der Anamorphot 28 einen linienförmigen Fokus erzeugt.However, the LSM 1 additionally has an autofocus device 22, which is installed in the illustrated embodiment in the illumination beam path. For this purpose, a beam splitter sits as an output coupler 18 in the illumination beam path 2, which decouples radiation backscattered from the object 2 into the excitation beam path of the excitation module 3 at the excitation module 3 and bundles optics 19 formed here as anamorphic optics into a line focus LF. In the case of a point-scanning laser scanning microscope 1, the optic 19 is an anamorphic photon. In a line-scanning microscope, a spherical lens 19 can be used, since this then already provides a line focus. The line focus LF is directed to a detector line 20, which forms an angle α with the optical axis OA and is cut by the line focus LF. The line focus LF and the detector line 20 are thus in one plane. The anamorphic 19 and the detector line 20 form an autofocus device 22, whose operation will be explained with reference to Figures 3 and 4. The present geometry is described below with reference to Figures 5 and 6 in more detail. It is essential here that the anamorphic photodiode 28 produces a linear focus.
Eine mögliche Ausgestaltung für die Optik 19 zeigen die Figuren 2a - c. Zusätzlich ist exemplarisch in Figur 2b noch der Linienfokus LF bzw. in Figur 2c die Längsachse L der Detektorzeile 20 dargestellt. Die Optik 19 kann als Kombination aus eindimensionalem holographischen Diffusor 26 mit vorgeschalteter sphärischer Optik 25 (Figur 2a), als torische Linse 24 (Figur 2b) oder als Zylinderlinse 23 (Figur 2c) ausgebildet sein, wenn das Laserscanningmikroskop einen Punktspot zum Scannen verwendet.A possible embodiment for the optics 19 are shown in FIGS. 2a-c. In addition, the line focus LF or, in FIG. 2c, the longitudinal axis L of the detector line 20 is shown by way of example in FIG. 2b. The optics 19 can be a combination of one-dimensional holographic diffuser 26 with upstream spherical optics 25 (FIG. 2a), toric lens 24 (FIG. 2b) or cylindrical lens 23 (FIG. 2c), if the laser scanning microscope uses a spot spot for scanning.
Die Figuren 1 und 2 zeigen durchgängig eine Schrägstellung der Detektorzeile 20, um zu erreichen, daß der Linienfokus LF schräg zur Längsachse L der Detektorzeile 20 liegt. Diese gegenseitige Schräglage kann natürlich auch ohne Verkippung der Detektorzeile 20 gegenüber der optischen Achse OA erreicht werden, beispielsweise durch ein geeignetes holographisches Element oder eine schräg gestellte Zylinderoptik. Wesentlich ist also, wie nachfolgend noch erläutert wird, eine Verkippung von Längsrichtung der Brennlinie zur Längsrichtung der Detektorzeile 20. Dies könnte auch erreicht werden, indem beispielsweise der Anamorphot 19 verkippt ist.FIGS. 1 and 2 show an oblique position of the detector line 20 in order to ensure that the line focus LF lies obliquely to the longitudinal axis L of the detector line 20. Of course, this mutual skew can also be achieved without tilting the detector line 20 with respect to the optical axis OA, for example by means of a suitable holographic element or an obliquely arranged cylinder optic. It is therefore essential, as will be explained below, a tilting of the longitudinal direction of the focal line to the longitudinal direction of the detector line 20. This could also be achieved, for example, by the Anamorphot 19 is tilted.
Auch kann anstelle der Auskopplung der reflektierten Strahlung aus dem Anregungsstrahlengang des Anregungsmoduls 3 auch eine Auskopplung am Detektionsmodul 4 erfolgen, wenn der Hauptfarbteiler HFT rückgestreute Anregungsstrahlung passieren läßt. Eine mögliche Anbaustelle für die Autofokuseinrichtung 22 ist in Figur 1 mit 30 bezeichnet und durch eine gestrichelte Linie angedeutet.Also, instead of decoupling the reflected radiation from the excitation beam path of the excitation module 3, a decoupling on the detection module 4 can take place when the main color splitter HFT allows backscattered excitation radiation to pass through. A possible attachment point for the autofocus device 22 is indicated in Figure 1 at 30 and indicated by a dashed line.
Figur 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch das Objekt 2, das mit dem Laserscanningmikroskop 1 der Figur 1 erfaßt wird. Das Objekt 2 weist einen Objektträger 27 auf, auf dem abgedeckt durch ein Deckglas 28 eine zu mikroskopierende Zellschicht 29 angeordnet ist. Weiter ist exemplarisch die Lage der Fokusebene F dargestellt, die derjenigen Ebene entspricht, die durch die Konfokalitätsbedingung des Detektionsmoduls 4, d.h. durch die auswählende Wirkung des Pinholes 15 festgelegt ist. Oberhalb der Zellschicht 29 befindet sich ein Übergang zum Deckglas 28. Ein solcher Glas/Zellschicht-Übergang weist einen Brechzahlsprung auf. Bekanntermaßen wird an einem Brechzahlsprung Strahlung grundsätzlich reflektiert. Der Brechzahlsprung des Übergangs zwischen Deckglas 28 und Zellschicht 29 kann somit als Referenzebene R verwendet werden.Figure 3 shows a schematic sectional view through the object 2, which is detected by the laser scanning microscope 1 of Figure 1. The object 2 has a slide 27, on which, covered by a cover glass 28, a cell layer 29 to be microscoped is arranged. Further, by way of example, the position of the focal plane F corresponding to the plane indicated by the confocal condition of the detection module 4, i. is determined by the selective action of Pinholes 15. Above the cell layer 29 there is a transition to the cover glass 28. Such a glass / cell layer transition has a refractive index jump. As is known, radiation is fundamentally reflected at a refractive index jump. The refractive index jump of the transition between cover glass 28 and cell layer 29 can thus be used as a reference plane R.
Die Abbildung des Linienfokuses LF in der Autofokuseinrichtung 22 auf die Detektorzeile 20 bewirkt, daß Strahlung, die aus unterschiedlichen Bereichen entlang der optischen Achse OA, auf der der Spot beleuchtet bzw. abgetastet wird, entlang der Detektorzeile 20 aufgefächert wird. Das Ergebnis dieser Auffächerung im Signal der Detektorzeile 20 zeigt Figur 4.The imaging of the line focus LF in the autofocus device 22 onto the detector array 20 causes radiation incident on the detector array 20 to be fanned out of different regions along the optical axis OA on which the spot is illuminated. The result of this fanning in the signal of the detector line 20 is shown in FIG. 4.
Der Reflex am Brechzahlsprung der Referenzebene R führt zu einer gesteigerten Strahlungsintensität an einer bestimmten Stelle der Detektorzeile 20. Im Signal S der Detektorzeile 20 findet sich ein entsprechender Peak, der in Figur 4 als Referenzebenen-Peak PR bezeichnet ist. Die in der Meßebene, d.h. der Fokusebene gemessene Struktur der Zellschicht führt ebenfalls zu einem Reflex, der an anderer Stelle auf der Detektorzeile 20 auftritt, d.h. bei anderer x-Koordinate in Figur 4 und ebenfalls zu einer Erhöhung der Intensität I führt (in Figur 4 als Fokusebenen-Peak PF bezeichnet).The reflection at the refractive index jump of the reference plane R leads to an increased radiation intensity at a certain point of the detector line 20. In the signal S of the detector line 20 there is a corresponding peak, which in FIG. 4 is a reference plane peak PR is designated. The structure of the cell layer measured in the measurement plane, ie the focal plane, likewise leads to a reflection which occurs elsewhere on the detector line 20, ie at another x-coordinate in FIG. 4 and likewise leads to an increase in the intensity I (in FIG referred to as focal plane peak PF).
Entlang der Detektorzeile 20, deren entsprechende x-Koordinate üblicherweise durch die Pixelnummer gegeben ist, finden sich also zwei Intensitätsmaxima als Peaks, nämlich Fokusebenenpeak PF und Referenzebenenpeak PR, die um einen Pixelabstand d beabstandet sind. Der Pixelabstand d kann auf einfache Weise in den Abstand D zwischen der Fokusebene F und der Referenzebene R umgerechnet werden. Dazu ist zum einen der Abbildungsmaßstab der optischen Abbildung zu berücksichtigen. Zum anderen spielt die Schrägstellung der Detektorzeile 20, d.h. der Winkel α zwischen Linienfokus LF und Längsebene L der Detektorzeile 20, eine Rolle.Along the detector line 20, whose corresponding x-coordinate is usually given by the pixel number, there are thus two intensity maxima as peaks, namely focal plane peak PF and reference plane peak PR, which are spaced apart by one pixel spacing d. The pixel spacing d can be converted into the distance D between the focal plane F and the reference plane R in a simple manner. For this purpose, on the one hand, the magnification of the optical image has to be considered. On the other hand, the skew of the detector row 20, i. the angle α between line focus LF and longitudinal plane L of the detector line 20, a roll.
Die Breite jedes Peak wird durch den Schärfentiefebereich des Objektivs 6 bestimmt. Sie kann bei der Ermittlung des Schwerpunktes des Fokusebenen-Peaks PF sowie des Referenzebenen- Peaks PR eingehen. Weiter kann bei der Peak- bzw. Schwerpunktsbestimmung ein Grundverlauf des Signals S berücksichtigt werden, der von der Intensitätsverteilung herrührt, die im Linienfokus LF grundsätzlich gegeben ist. Bei einem Gauß-förmig beleuchteten Spot wird man z.B. diese Gaußverteilung auch im Linienfokus LF wiederfinden. Analoges gilt natürlich für andere Intensitätsverteilungen im beleuchteten Spot.The width of each peak is determined by the depth of field of the lens 6. It can enter into the determination of the center of gravity of the focal plane peak PF and the reference plane peak PR. Furthermore, in the case of the determination of the peak or center of gravity, a basic course of the signal S resulting from the intensity distribution which is fundamentally given in the line focus LF can be taken into account. For example, with a Gaussian illuminated spot, e.g. find this Gaussian distribution also in the line focus LF. The same applies of course to other intensity distributions in the illuminated spot.
Die Ermittlung des Abstandes D wird im Ausführungsbeispiel der Figur 1 von einem Steuergerät 21 vorgenommen, das sowohl das Signal der Detektorzeile 20 ausliest, als auch den Antrieb A zur Fokusverstellung des Objektivs 6 entsprechend ansteuert. Das Steuergerät ermittelt weiter die Peak-Schwerpunkte, den Peak-Abstand d und steuert die Einstellung des Abstandes D auf ein bestimmtes Maß.The determination of the distance D is made in the embodiment of Figure 1 by a control unit 21, which reads both the signal of the detector row 20, as well as the drive A for focus adjustment of the lens 6 controls accordingly. The controller further determines the peak centroids, the peak distance d and controls the setting of the distance D to a certain extent.
Fig. 5 zeigt schematisch die Funktionsweise der Autofokusvorrichtung 22. In Fig. 5 sind der einfachheithalber lediglich die optische Achse OA und die darauf liegenden Elemente Probe 2, Objektiv 6, Anamorphot 19 sowie Detektorzeile 20 dargestellt. Faltungen der optischen Achse OA, wie sie insbesondere am Strahlteiler 18 in Fig. 1 auftreten, sind nicht eingezeichnet, um die Figur übersichtlich zu halten. Wie zu sehen ist, bildet das Objektiv 6 zusammen mit dem Anamorphoten 19 beabstandete Ebenen in der Probe 2 in beabstandete Brennlinien ab. Die Objektfokalebene 37 wird beispielsweise in eine Brennlinie 38 abgebildet und eine tiefer im Objekt 2, d. h. weiter vom Objektiv 6 entfernt liegende Ebene 36 wird in eine Brennlinie 39 abgebildet, die entlang der optischen Achse OA in Abbildungsrichtung gesehen vor der Brennlinie 38, d. h. näher am Anamorphoten 19 liegt. Durch die Schrägstellung der Detektorzeile 20 gegenüber der optischen Achse OA schneiden die Brennlinien 38 und 39 den empfindlichen Bereich der Detektorzeile 20 an verschiedenen Schnittpunkten 40, 41 , die längs der Detektorzeile beabstandet sind. Es bilden sich also an den den Schnittpunkten 40, 41 zugeordneten Stellen der in Längsrichtung des empfindlichen Bereichs ortsauflösenden Detektorzeile 29 die bereits genannten Intensitätsmaxima aus. Dies ist in Fig. 6 verdeutlicht.FIG. 5 schematically shows the mode of operation of the autofocus device 22. For the sake of simplicity, only the optical axis OA and the elements 2, 6, anamorphot 19 and detector line 20 lying thereon are shown in FIG. 5. Folds of the optical axis OA, as they occur in particular at the beam splitter 18 in Fig. 1, are not shown in order to keep the figure clear. As can be seen, the objective 6, together with the anamorphic 19, images planes spaced apart in the sample 2 into spaced focal lines. The object focal plane 37 is imaged, for example, in a focal line 38, and a plane 36 located farther in the object 2, ie further away from the objective 6, is imaged into a focal line 39, which is seen along the optical axis OA in the imaging direction in front of the focal line 38, ie closer to Anamorphic 19 is located. Due to the inclination of the Detector line 20 with respect to the optical axis OA cut the focal lines 38 and 39, the sensitive portion of the detector line 20 at various intersections 40, 41, which are spaced along the detector line. Thus, at the points of intersection 40, 41 associated points of the longitudinally of the sensitive area spatially resolving detector line 29 form the already mentioned intensity maxima. This is illustrated in FIG. 6.
Fig. 6 zeigt in ihrer oberen Hälfte die Detektorzeile 20 sowie die in einem Winkel α schräg dazu liegende optische Achse OA und die Brennlinien 38, 39, die die Detektorzeile 20 schneiden. Durch die unterschiedlichen Schnittpunkte ergibt sich im Signal I der Detektorzeile 20 als Funktion der Pixelnummer n der Detektorzeile die bereits erwähnte Intensitätskurve S, die Peak als Maxima 43 und 44 hat, welche den Schnittpunkten 40 bzw. 41 der Brennlinie 38 bzw. 39 mit der Detektorzeile 29 zuzuordnen sind. Durch die entsprechenden Koordinaten 45 und 46 der Maxima läßt sich, wie anhand Fig. 4 beschrieben, unter Berücksichtigung des Winkels α der Abstand der Brennlinien 39 und 38 längs der optischen Achse OA einfach berechnen, indem der Abstand d zwischen den Koordinaten 45 und 46 mit dem Kosinus des Winkels α multipliziert wird. Zusammen mit dem Abbildungsverhältnis, das im Mikroskopmodul und insbesondere unter Berücksichtigung des Objektivs 6 erreicht ist, erhält man damit den Abstand D zwischen den Ebenen 37 und 38 in der Probe 17.FIG. 6 shows in its upper half the detector row 20 and the optical axis OA lying obliquely at an angle α and the focal lines 38, 39 intersecting the detector row 20. Due to the different points of intersection, signal I of detector line 20 as a function of pixel number n of the detector line results in the already mentioned intensity curve S which has peaks as maxima 43 and 44 which correspond to intersection points 40 and 41 of focal line 38 and 39, respectively, with the detector line 29 are assigned. By the corresponding coordinates 45 and 46 of the maxima, as described with reference to FIG. 4, taking into account the angle α, the distance of the focal lines 39 and 38 along the optical axis OA can be easily calculated by the distance d between the coordinates 45 and 46 is multiplied by the cosine of the angle α. Together with the imaging ratio, which is achieved in the microscope module and in particular taking into account the objective 6, one thus obtains the distance D between the planes 37 and 38 in the sample 17.
Die zwei auf der Detektorzeile 29 auftretenden Intensitätsmaxima sind so ausgezeichneten Ebenen in der Probe 17 zugeordnet. Das Maximum 43 entspricht der Fokalebene des Objektivs 16, d. h. der aktuellen Meßposition bzw. Ebene, aus der die konfokale Abbildung in der Probe 17 erfolgt. Das zweite Maximum 44 kann als Referenzebene einer Grenzfläche in der Probe zwischen Probenmaterial und Substrat zugeordnet werden (zur einfacheren Darstellung ist die Probe 17 in den Figuren 1 , 4 und 5 nicht strukturiert dargestellt, so daß die Grenzfläche nicht eingezeichnet ist, die z.B. exakt auf der gestrichelten Linie 36 läge).The two intensity maxima occurring on the detector line 29 are assigned to such excellent planes in the sample 17. The maximum 43 corresponds to the focal plane of the lens 16, d. H. the current measuring position or plane, from which the confocal image in the sample 17 takes place. The second maximum 44 can be assigned as the reference plane of an interface in the sample between the sample material and the substrate (for ease of illustration, the sample 17 in Figures 1, 4 and 5 is not shown structured, so that the interface is not shown, for example, exactly the dashed line 36 would be).
Nach Errechnung des Abstandes zwischen den Ebenen kann die Steuereinheit den Abstand der Meßebene von der Grenzfläche, die als Referenzebene dient, einstellen bzw. konstant halten. Auch kann einfach eine Kalibrierung der Probentischverstellmechanik erfolgen, wenn diese vorhanden ist.After calculating the distance between the planes, the control unit can set or keep constant the distance of the measurement plane from the interface which serves as the reference plane. Also, simply calibrate the sample stage adjustment mechanism if it exists.
Die Brennlinien 38 bzw. 39 sind entlang ihrer Längsrichtung hinsichtlich der Intensität meist nicht homogen, da ein üblicher Anamorphot das Licht vermehrt achsennah auf der Brennlinie bündelt. Die dadurch bewirkte Nullkurve 47 ist in Fig. 6 für die Intensität eingezeichnet. Bei der Bestimmung der Intensitätsmaxima ist es zweckmäßig, wenn diese Nullkurve 47 berücksichtigt, beispielsweise aus dem Signal der Intensitätskurve S abgezogen wird. Die dargestellte Bauweise zeigt ein Laserscanningmikroskop 1 mit punktförmiger Rasterung. Das Autofokusverfahren ist jedoch auch bei linienförmiger Rasterung einsetzbar, wobei dann da die Linienform der Strahlung ohne anamorphotische Abbildung bereits gegeben ist. The focal lines 38 and 39 are usually not homogeneous along their longitudinal direction in terms of intensity, since a conventional anamorphic photopotential focus focuses the light on the focal line. The resulting zero curve 47 is shown in Fig. 6 for the intensity. When determining the intensity maxima, it is expedient if this zero curve 47 is considered, for example, subtracted from the signal of the intensity curve S. The illustrated construction shows a laser scanning microscope 1 with punctiform screening. However, the autofocus method can also be used with linear screening, in which case the line shape of the radiation without anamorphic imaging already exists.

Claims

Patentansprüche claims
1. Lichtrastermikroskop mit einem Anregungs- und einem Detektionsstrahlengang, Mitteln (9) zur rasternden Abtastung eines Objektes (2) durch Verschieben eines abgebildeten Spot-,1. Scanning microscope with an excitation and a detection beam path, means (9) for raster scanning of an object (2) by moving an imaged spot,
Linien- oder Multispotbereiches über das Objekt (2) und einem den Spot-, Linien- oder Multispotbereich abbildenden Objektiv (6), wobei für das Objektiv (6) ein Fokusverstellmechanismus (A) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine in den Anregungs- oder Detektionsstrahlengang (3, 4) eingekoppelte Autofokuseinrichtung (22) zum Erfassen einer Lage der Fokusebene (F) des Objektives (6) vorgesehen ist, die unterschiedliche Tiefenbereiche am abgebildeten Spot-, Linien- oder Multispotbereich auf unterschiedliche Orte eines ortsauflösenden Detektors (20) abbildet.Line or multi-spot area over the object (2) and a spot, line or multi-spot imaging lens (6), wherein for the lens (6) a Fokusverstellmechanismus (A) is provided, characterized in that a in the excitation or detection beam path (3, 4) coupled autofocus device (22) is provided for detecting a position of the focal plane (F) of the objective (6), the different depth ranges at the imaged spot, line or multi-spot on different locations of a spatially resolving detector (20) maps.
2. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Autofokuseinrichtung (22) eine längs einer Längsachse (L) verlaufende Detektorzeile (20) mit vorgeschalteter Optik (19) aufweist, wobei die Detektorzeile (20) mit ihrer Längsachse (L) zur optischen Achse (OA) verkippt ist und die Optik (19) die ausgekoppelte Strahlung zu einem Linienfokus (LF) bündelt, der im wesentlichen in der von der Längsachse (L) und der optischen Achse (OA) aufgespannten Ebene liegt, so daß der Linienfokus (LF) längs der Detektorzeile (20) verläuft.2. Light scanning microscope according to claim 1, characterized in that the autofocus device (22) along a longitudinal axis (L) extending detector line (20) with upstream optics (19), wherein the detector line (20) with its longitudinal axis (L) for optical Axis (OA) is tilted and the optical system (19) focuses the decoupled radiation into a line focus (LF), which is located substantially in the plane defined by the longitudinal axis (L) and the optical axis (OA) plane, so that the line focus ( LF) along the detector line (20).
3. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtrastermikroskop einen Spot abbildet und die Optik (19) ein anamorphotisches Element, insbesondere eine Zylinderlinse (23), eine torische Linse (24) oder eine Kombination aus einem eindimensionalen holographischen Diffusor (26) mit einer sphärischen Linse (25), aufweist.3. Scanning microscope according to claim 2, characterized in that the light-scanning microscope images a spot and the optics (19) an anamorphic element, in particular a cylindrical lens (23), a toric lens (24) or a combination of a one-dimensional holographic diffuser (26) with a spherical lens (25).
4. Lichtrastermikroskop nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (21 ), die Signale (S) der Autofokuseinrichtung (22) ausliest und den Fokusverstellmechanismus (A) ansteuert. 4. Light scanning microscope according to one of the above claims, characterized by a control unit (21), the signals (S) of the autofocus device (22) reads out and controls the Fokusverstellmechanismus (A).
5. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (21 ) aus den Signalen (S) ein Maß für einen Abstand (D) zwischen der Fokusebene (F) des Objektives (6) und einer Referenzebene (R) am Objekt (2) ermittelt.5. light scanning microscope according to claim 4, characterized in that the control unit (21) from the signals (S) is a measure of a distance (D) between the focal plane (F) of the objective (6) and a reference plane (R) on the object ( 2).
6. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 4 oder 5 jeweils in Kombination mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (21 ) die von dem anamorphotischen Element bewirkte Intensitätsverteilung längs des Linienfokus (LF) berücksichtigt.6. Scanning microscope according to claim 4 or 5 respectively in combination with claim 2, characterized in that the control unit (21) takes into account the caused by the anamorphic element intensity distribution along the line focus (LF).
7. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (21 ) die Fokusebene (F) in einem konstanten oder gezielt eingestellten Abstand (D) zur7. Light scanning microscope according to claim 5, characterized in that the control unit (21) the focal plane (F) in a constant or specifically set distance (D) for
Referenzebene (R) hält.Reference plane (R) stops.
8. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Autofokuseinrichtung (22) aufweist: - einen in den Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlengang (3, 4) eingesetzten Strahlteiler8. Light scanning microscope according to claim 1, characterized in that the autofocus device (22) comprises: - one in the illumination or detection beam path (3, 4) used beam splitter
(18), der am Objekt (2) reflektierte Beleuchtungsstrahlung aus dem Beleuchtungs- bzw.(18), the reflected at the object (2) illumination radiation from the lighting or
Detektionsstrahlengang (3, 4) längs einer optischen Achse (OA) der Autofokuseinrichtung (22) auskoppelt, einem dem Strahlteiler (18) in Bezug auf die ausgekoppelte Beleuchtungsstrahlung nachgeordneten, anamorphotischen Optikelement (19), das die ausgekoppelteDetection beam (3, 4) along an optical axis (OA) of the autofocus device (22) decouples, a the beam splitter (18) with respect to the decoupled illumination radiation downstream, anamorphic optical element (19), which decoupled
Beleuchtungsstrahlung in einen Linienfokus (LF) bündelt und einem dem Optikelement nachgeordneten Zeilen- oder Flächen-Detektor (20), der einen für Beleuchtungsstrahlung empfindlichen Bereich hat, der in einer Ebene liegt, welche von demIlluminating radiation into a line focus (LF) and a line or area detector (20) arranged downstream of the optical element, which has an area sensitive to illumination radiation which lies in a plane which lies on the plane
Linienfokus (LF) und der optischen Achse (OA) aufgespannt ist, wobei das Optikelement (19) und der Detektor (20) zueinander so angeordnet und gegeneinander so verkippt sind, daß derLine focus (LF) and the optical axis (OA) is spanned, wherein the optical element (19) and the detector (20) to each other are arranged and tilted against each other so that the
Linienfokus (LF) mit dem empfindlichen Bereich einen Winkel (α) größer 0° und kleiner 90° einschließt.Line focus (LF) with the sensitive area an angle (α) greater than 0 ° and less than 90 °.
9. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das anamorphotische Optikelement (19) eine Zylinderlinse (23), eine torische Linse (24) oder einen eindimensionalen, holographischen Diffusor (26) aufweist.9. Scanning microscope according to claim 8, characterized in that the anamorphic optical element (19) has a cylindrical lens (23), a toric lens (24) or a one-dimensional, holographic diffuser (26).
10. Lichtrastermikroskop nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (20) schräg zur optischen Achse (OA) steht.10. Light scanning microscope according to one of claims 8 or 9, characterized in that the detector (20) is oblique to the optical axis (OA).
11. Lichtrastermikroskop nach einem der obigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (21 ) die Signale des Detektors (20) ausliest und die Lagen (45, 46) von Intensitätsmaxima (43, 44) längs des empfindlichen Bereiches des Detektors bzw. der Detektorzeile ermittelt.11. Light scanning microscope according to one of the above claims in conjunction with claim 4, characterized in that the control unit (21) reads out the signals of the detector (20) and determines the layers (45, 46) of intensity maxima (43, 44) along the sensitive area of the detector or the detector line.
12. Lichtrastermikroskop nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abrastern der Probe (2) eine Scanspiegeleinheit (9) vorgesehen ist, wobei die12. Light scanning microscope according to one of the above claims, characterized in that for scanning the sample (2) a scanning mirror unit (9) is provided, wherein the
Autofokuseinrichtung in den ruhenden Strahlengang des Beleuchtungs- oder Detektionsstrahlenganges eingekoppelt ist.Autofocus device is coupled into the stationary beam path of the illumination or detection beam path.
13. Lichtrastermikroskop nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das anamorphotische Element (19) und der Detektor (20) so eingestellt sind, daß die Ebene des13. A light scanning microscope according to claim 3 or 8, characterized in that the anamorphic element (19) and the detector (20) are adjusted so that the plane of the
Mikroskopfokus (37) in eine Lage des Linienfokus (LF) gebündelt wird, die den empfindlichen Bereich des Detektors bzw. die Detektorzeile (20) im wesentlichen auf der optischen Achse (OA) schneidet.Microscope focus (37) is focused into a position of the line focus (LF), which intersects the sensitive area of the detector and the detector line (20) substantially on the optical axis (OA).
14. Mikroskop nach einem der obigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (21 ) die Lagen (45, 46) der Intensitätsmaxima (43, 44) Grenzflächen in oder an dem Objekt (2) zuordnet. 14. Microscope according to one of the above claims in conjunction with claim 11, characterized in that the control unit (21) assigns the layers (45, 46) of the intensity maxima (43, 44) interfaces in or on the object (2).
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