DE102019120960A1 - Method for calibrating a microscope, microscope arrangement and use - Google Patents

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Ilja GERHARDT
Ingmar Jakobi
Julia Michl
Jörg Wrachtrup
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Mikroskops, wobei zum Kalibrieren eine Probe in Form eines Festkörpers mit zumindest einem optischen Zentrum verwendet wird. Damit können beispielsweise Kalibrierungen in Bezug auf eine Sammlungseffizienz, auf einen Abstand, auf eine Polarisation oder auf ein vektorielles elektrisches Feld eines Anregungslichtstrahls durchgeführt werden. Die verwendete Probe hat sich als stabil und einfach handhabbar erwiesen.The invention relates to a method for calibrating a microscope, wherein a sample in the form of a solid body with at least one optical center is used for calibration. For example, calibrations with regard to a collection efficiency, to a distance, to a polarization or to a vector electric field of an excitation light beam can thus be carried out. The sample used has proven to be stable and easy to handle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Mikroskops, eine zugehörige Mikroskopanordnung sowie eine zugehörige Verwendung.The invention relates to a method for calibrating a microscope, an associated microscope arrangement and an associated use.

Mikroskope, insbesondere hochauflösende Mikroskope, werden für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet. Beispielsweise können sie für biologische, mikrobiologische und materialwissenschaftliche Fragestellungen eingesetzt werden. Mittels diverser Superresolutionstechniken können mittlerweile Auflösungen erzielt werden, welche erheblich besser sind als die aufgrund von Beugung beschränkte Auflösung.Microscopes, particularly high resolution microscopes, are used for a variety of applications. For example, they can be used for biological, microbiological and material science issues. By means of various super-resolution techniques, resolutions can now be achieved which are considerably better than the resolution that is limited due to diffraction.

Um Ergebnisse, welche mittels eines Mikroskops gewonnen wurden, korrekt interpretieren zu können, ist es von Vorteil, wenn eine Referenz für diverse Eigenschaften eines Mikroskops zur Verfügung steht. Bekannte Referenzen, beispielsweise für ein Längenmaß, basieren beispielsweise darauf, dass Fluorophore bewusst in DNA-Moleküle eingebracht werden. Derartige Proben haben sich jedoch als wenig langlebig erwiesen und sind eher für Größenordnungen von mehreren hundert Nanometern geeignet.In order to be able to correctly interpret results obtained using a microscope, it is advantageous if a reference is available for various properties of a microscope. Known references, for example for a measure of length, are based on the fact that fluorophores are deliberately introduced into DNA molecules. However, such samples have proven to be less durable and are more suitable for sizes of several hundred nanometers.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Mikroskops vorzusehen, welches im Vergleich zu bekannten Lösungen alternativ oder besser ausgeführt ist. Es sind des Weiteren Aufgaben der Erfindung, eine zugehörige Mikroskopanordnung sowie eine zugehörige Verwendung bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide a method for calibrating a microscope which, compared to known solutions, is implemented as an alternative or better. It is further objects of the invention to provide an associated microscope arrangement and an associated use.

Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Mikroskopanordnung sowie eine Verwendung gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.This is achieved according to the invention by a method, a microscope arrangement and a use according to the respective main claims. Advantageous configurations can be found in the respective subclaims, for example. The content of the claims is made part of the description by express reference.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Mikroskops.The invention relates to a method for calibrating a microscope.

Das Mikroskop weist Folgendes auf:

  • - einen Probenhalter zur Aufnahme einer Probe,
  • - eine Anregungsoptik zum Richten eines Anregungslichtstrahls auf die Probe,
  • - eine Abfrageoptik zum Aufnehmen von durch die Probe ausgesendetem Licht,
  • - einen Detektor zum Erfassen von durch die Abfrageoptik aufgenommenem Licht.
The microscope has the following:
  • - a sample holder for holding a sample,
  • - excitation optics for directing an excitation light beam onto the sample,
  • - an interrogation optics for receiving light emitted by the sample,
  • a detector for detecting light picked up by the interrogation optics.

Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

  • - Einsetzen eines Festkörpers als Probe in den Probenhalter, wobei der Festkörper zumindest ein erstes optisches Zentrum aufweist, welches nach Anregung Licht aussendet,
  • - Richten eines Anregungslichtstrahls auf die Probe, so dass das erste optische Zentrum angeregt wird,
  • - Erfassen des von der Probe ausgesendeten Lichts mittels der Abfrageoptik und des Detektors,
  • - Kalibrieren des Mikroskops basierend auf dem vom Detektor erfassten Licht.
The procedure consists of the following steps:
  • - Insertion of a solid body as a sample in the sample holder, the solid body having at least a first optical center which emits light after excitation,
  • - Directing an excitation light beam onto the sample so that the first optical center is excited,
  • - Detection of the light emitted by the sample by means of the interrogation optics and the detector,
  • - Calibrate the microscope based on the light captured by the detector.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Festkörper mit einem optischen Zentrum verwendet. Es hat sich gezeigt, dass derartige Festkörper mit optischem Zentrum erheblich widerstandsfähiger und langlebiger sind als aus dem Stand der Technik bekannte Proben. Dementsprechend kann eine Kalibrierung wesentlich zuverlässiger durchgeführt werden und es können unterschiedliche Vergleiche, beispielsweise zwischen verschiedenen Zeitpunkten und/oder zwischen verschiedenen Mikroskopen, angestellt werden. Außerdem können beispielsweise Vergleiche zwischen unterschiedlichen Mikroskopteilen wie Objektiven oder unterschiedlichen Auswerteverfahren oder Algorithmen angestellt werden. Beispielhafte Ausführungen dazu werden weiter unten näher beschrieben werden.In the method according to the invention, a solid body with an optical center is used. It has been shown that such solid bodies with an optical center are considerably more resistant and have a longer service life than samples known from the prior art. Accordingly, a calibration can be carried out much more reliably and different comparisons can be made, for example between different times and / or between different microscopes. In addition, comparisons can be made between different microscope parts such as objectives or different evaluation methods or algorithms. Exemplary statements are described in more detail below.

Das Verfahren ist insbesondere für die Verwendung mit einem Mikroskop wie angegeben geeignet.The method is particularly suitable for use with a microscope as indicated.

Eine alternative Formulierung des Verfahrens kann wie folgt lauten:

  • - Einsetzen eines Festkörpers als Probe in einen Probenhalter eines Mikroskops, wobei der Festkörper zumindest ein erstes optisches Zentrum aufweist, welches nach Anregung Licht aussendet,
  • - Richten eines Anregungslichtstrahls mittels einer Anregungsoptik des Mikroskops auf die Probe, so dass das erste optische Zentrum angeregt wird,
  • - Erfassen des von der Probe ausgesendeten Lichts mittels einer Abfrageoptik des Mikroskops und eines Detektors des Mikroskops,
  • - Kalibrieren des Mikroskops basierend auf dem vom Detektor erfassten Licht.
An alternative formulation of the procedure can be as follows:
  • - Insertion of a solid body as a sample in a sample holder of a microscope, wherein the solid body has at least one first optical center which emits light after excitation,
  • - Directing an excitation light beam by means of an excitation optics of the microscope onto the sample, so that the first optical center is excited,
  • - Detection of the light emitted by the sample by means of interrogation optics of the microscope and a detector of the microscope,
  • - Calibrate the microscope based on the light captured by the detector.

Bei dem Festkörper kann es sich um einen durchgehenden bzw. einstückigen Festkörper handeln. Es kann sich jedoch beispielsweise auch um einen zusammengesetzten Festkörper handeln. Beispielsweise können mehrere NanoDiamanten zu einem Festkörper zusammengesetzt werden. Besondere Vorteile ergeben sich bei einem kristallinen, insbesondere monokristallinen Festkörper, es können jedoch auch beispielsweise polykristalline, glasartige oder auch zusammengesetzte Festkörper verwendet werden. Eine Herstellung derartiger Festkörper kann beispielsweise durch Spincoating erfolgen, beispielsweise durch Spincoating von Nanodiamanten in einem Polymer wie Polymethylmethacrylat (PMMA). Nanodiamanten können auch nicht zusammengesetzt an festen Positionen in einem Trägermaterial liegen. Kristalle haben insbesondere Vorteile hinsichtlich fester Geometrie und bekannter Ausrichtungen anhand von Oberflächen. Begriffe wie Gitter oder Gitterplatz sind aber auch in amorphen Materialien vernünftig anwendbar.The solid body can be a continuous or one-piece solid body. However, it can also be a composite solid, for example. For example, several NanoDiamonds can be put together to form a solid. Particular advantages result in the case of a crystalline, in particular monocrystalline solid, but it is also possible, for example, to use polycrystalline, glass-like or composite solid bodies. Such solids can be produced, for example, by spin coating, for example by spin coating nanodiamonds in a polymer such as polymethyl methacrylate (PMMA). Nanodiamonds can also be unassembled in fixed positions in a carrier material. Crystals have particular advantages in terms of fixed geometry and known orientations based on surfaces. However, terms such as lattice or lattice space can also be reasonably used in amorphous materials.

Es sei des Weiteren verstanden, dass unter dem Aussenden von Licht nach Anregung beispielsweise eine Emission verstanden werden kann, wobei in bekannter Weise das optische Zentrum mittels eines Anregungslichts angeregt wird, also in einen energiereicheren quantenmechanischen Zustand übergeht. Von diesem aus kann es über einen oder mehrere Zerfallspfade wieder in einen Grundzustand übergehen und dabei ein Photon aussenden. Es kann sich jedoch bei dem Aussenden von Licht auch um eine Streuung handeln, welche hier als Aussenden nach Anregung verstanden wird. Anders ausgedrückt wird ein Anregungslichtstrahl auf das optische Zentrum gerichtet und das Licht wird gestreut, so dass es an einer anderen Stelle erfasst werden kann. Auch dies wird hier als Aussenden von Licht nach Anregung verstanden.It should also be understood that the emission of light after excitation can be understood to mean, for example, an emission, the optical center being excited in a known manner by means of an excitation light, that is to say changes into a more energetic quantum mechanical state. From here it can return to a ground state via one or more decay paths and emit a photon in the process. However, the emission of light can also be a matter of scattering, which is understood here as emission after excitation. In other words, an excitation light beam is directed onto the optical center and the light is scattered so that it can be detected at another location. This is also understood here as the emission of light after being stimulated.

Der Probenhalter kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, die Probe in einer definierten und/oder reproduzierbaren Stellung zu halten. Dies kann beispielsweise mittels des Verfahrens überwacht werden, worauf weiter unten näher eingegangen wird. The sample holder can, for example, be designed to hold the sample in a defined and / or reproducible position. This can be monitored, for example, by means of the method, which will be discussed in more detail below.

Die Anregungsoptik kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, einen Laserstrahl auf die Probe zu richten. Hierzu kann beispielsweise ein Laser als Teil der Anregungsoptik vorgesehen sein. Dieser kann durch optische Komponenten wie Spiegel, Linsen, Strahlteiler und andere Komponente so manipuliert werden, wie es für den jeweiligen Zweck erforderlich ist. Beispielsweise kann der Anregungslichtstrahl auf die Probe und/oder auf das optische Zentrum fokussiert werden. Es kann jedoch auch ein nicht fokussierter Lichtstrahl verwendet werden.The excitation optics can, for example, be designed to direct a laser beam onto the sample. For this purpose, for example, a laser can be provided as part of the excitation optics. This can be manipulated by optical components such as mirrors, lenses, beam splitters and other components as required for the respective purpose. For example, the excitation light beam can be focused on the sample and / or on the optical center. However, a non-focused light beam can also be used.

Der Detektor kann beispielsweise ein analoger Detektor wie beispielsweise eine Fotoplatte sein. Es kann sich auch um einen digitalen Detektor handeln. Beispielsweise kann ein CCD-Detektor, eine Kamera, insbesondere eine empfindliche Kamera, eine CCD-Kamera, oder eine CMOS-Kamera oder ein Film, insbesondere ein photographischer Film oder ein optischer Film, verwendet werden. Der Detektor kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er an nur einem Ort detektieren kann, beispielsweise mit einer Photodiode, Avalanche-Photodiode (APD), oder einem Photomultiplier. Er kann jedoch beispielsweise auch verfahrbar ausgebildet sein, so dass mittels eines grundsätzlich nur an einem Ort detektierenden Detektors eine größere Fläche abgebildet werden kann. Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Detektor aus einer Mehrzahl von Einzeldetektoren an unterschiedlichen Orten ausgebildet ist. Auch damit kann eine größere Fläche abgedeckt werden. Alternativ können beispielsweise auch die Probe, der Strahl und/oder ein Objektiv relativ zum Detektor bewegt werden.The detector can be, for example, an analog detector such as a photo plate. It can also be a digital detector. For example, a CCD detector, a camera, in particular a sensitive camera, a CCD camera, or a CMOS camera or a film, in particular a photographic film or an optical film, can be used. The detector can, for example, be designed in such a way that it can detect at only one location, for example with a photodiode, avalanche photodiode (APD), or a photomultiplier. However, it can also be designed to be movable, for example, so that a larger area can be imaged by means of a detector that basically only detects at one location. It can also be provided that the detector is formed from a plurality of individual detectors at different locations. This can also cover a larger area. Alternatively, the sample, the beam and / or an objective can also be moved relative to the detector, for example.

Gemäß einer Ausführung weist die Probe zumindest ein zweites optisches Zentrum auf. Dadurch können weitere Funktionalitäten bezüglich des Kalibrierens des Mikroskops ermöglicht werden, auf welche weiter unten näher eingegangen wird.According to one embodiment, the sample has at least one second optical center. This enables further functionalities relating to the calibration of the microscope, which will be discussed in greater detail below.

Das erste optische Zentrum und das zweite optische Zentrum können beispielsweise einen Abstand von mindestens einem Gitterplatz oder von mindestens 1 nm oder von mindestens 3 nm voneinander haben. Derartige Abstände als Mindestabstand haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen und sind sowohl messbar wie auch für den Zweck einer Referenz verwendbar.The first optical center and the second optical center can, for example, have a spacing of at least one grid position or of at least 1 nm or of at least 3 nm from one another. Such distances as a minimum distance have proven to be advantageous for typical applications and can be measured as well as used for the purpose of a reference.

Bevorzugt haben das erste optische Zentrum und das zweite optische Zentrum einen Abstand von höchstens 100 nm oder von höchstens 50 nm oder von höchstens 20 nm voneinander. Derartige Abstände als obere Grenze haben sich insbesondere deshalb als vorteilhaft erwiesen, weil bis zu derartigen Abständen in typischen Konstellationen eine Kopplung der optischen Zentren möglich ist, welche für unterschiedliche Funktionalitäten wie beispielsweise eine unabhängige Abstandsbestimmung oder eine emitterselektive Ansteuerung verwendet werden kann.The first optical center and the second optical center are preferably at a distance of at most 100 nm or at most 50 nm or at most 20 nm from one another. Such distances as the upper limit have proven particularly advantageous because up to such distances in typical constellations, coupling of the optical centers is possible, which can be used for different functionalities such as independent distance determination or emitter-selective control.

Gemäß jeweiligen Ausführungen können als optische Zentren spinaktive optische Zentren, magnetisch koppelbare optische Zentren oder anderweitig koppelbare optische Zentren verwendet werden. Dies kann insbesondere dazu benutzt werden, um bei Vorhandensein von mindestens zwei optischen Zentren diese zu koppeln und somit auf quantenmechanische Effekte zurückgreifen zu können, beispielsweise um deren Abstand zu bestimmen oder um sie selektiv anzusprechen. Auch im Fall eines einzelnen optischen Zentrums kann mittels einer solchen Ausführung, beispielsweise mittels der Verwendung eines spinaktiven optischen Zentrums, beispielsweise ein optisches Übergangsdipolmoment des optischen Zentrums erreicht werden, welches für Kalibrieraufgaben verwendet werden kann. Hierauf wird weiter unten näher eingegangen. Ist das optische Zentrum in einem Kristall eingebettet so ergeben sich insbesondere Vorteile hinsichtlich fester Gitterplatzabstände, fester Kristallachsen, fester Geometrie und an den Kristalloberflächen vermessbarer Kristallachsen.According to the respective embodiments, spin-active optical centers, magnetically couplable optical centers or otherwise couplable optical centers can be used as optical centers. This can be used in particular to couple these when at least two optical centers are present and thus to be able to fall back on quantum mechanical effects, for example to determine their distance or to address them selectively. Even in the case of a single optical center, such an embodiment, for example by using a spin-active optical center, can for example achieve an optical transition dipole moment of the optical center, which can be used for calibration tasks. This will continue detailed below. If the optical center is embedded in a crystal, there are particular advantages with regard to fixed lattice spacing, fixed crystal axes, fixed geometry and crystal axes that can be measured on the crystal surfaces.

Als Festkörper kann insbesondere Diamant oder Siliziumcarbid (SiC) verwendet werden. Derartige Festkörper haben sich als besonders dauerhaft und für die hier verfolgten Zwecke geeignet erwiesen. Es sei jedoch verstanden, dass auch andere Festkörper verwendet werden können.Diamond or silicon carbide (SiC) in particular can be used as the solid. Such solid bodies have proven to be particularly durable and suitable for the purposes pursued here. It should be understood, however, that other solid bodies can also be used.

Als optische Zentren können beispielsweise Stickstofffehlstellen verwendet werden. Insbesondere können Stickstofffehlstellen in Diamant verwendet werden. Diese haben sich für typische Kalibrieraufgaben wie beispielsweise solche, welche weiter unten näher beschrieben werden, als vorteilhaft erwiesen und sind im Übrigen bezüglich ihres physikalischen Verhaltens gut bekannt. Es sei jedoch erwähnt, dass auch andere Arten von optischen Zentren, beispielsweise andere Arten von Fehlstellen oder sonstige Ausführungen optischer Zentren, verwendet werden können.For example, nitrogen vacancies can be used as optical centers. In particular, nitrogen vacancies in diamond can be used. These have proven to be advantageous for typical calibration tasks, such as those which are described in more detail below, and are otherwise well known with regard to their physical behavior. It should be mentioned, however, that other types of optical centers, for example other types of defects or other designs of optical centers, can also be used.

Der Anregungslichtstrahl kann beispielsweise eine Wellenlänge entsprechend einem Anregungsmaximum der optischen Zentren aufweisen. Die Wellenlänge kann beispielsweise im optischen Spektrum, im UV-Spektrum oder im IR-Spektrum liegen. Dadurch kann eine besonders effektive Anregung erreicht werden. Auch die Verwendung eines Anregungslichts mit einem breiten Spektrum bzw. einem kontinuierlichen Spektrum oder mit einer Wellenlänge, welche außerhalb eines Anregungsmaximums der optischen Zentren liegt, ist jedoch möglich, wobei beispielsweise auf Charakteristika der Anregungsoptik oder auf ein sonstiges Verhalten der optischen Zentren Rücksicht genommen werden kann.The excitation light beam can for example have a wavelength corresponding to an excitation maximum of the optical centers. The wavelength can, for example, be in the optical spectrum, in the UV spectrum or in the IR spectrum. A particularly effective excitation can thereby be achieved. However, it is also possible to use an excitation light with a broad spectrum or a continuous spectrum or with a wavelength which lies outside an excitation maximum of the optical centers, in which case, for example, the characteristics of the excitation optics or other behavior of the optical centers can be taken into account .

Das Mikroskop kann beispielsweise ein Konfokalmikroskop, ein Nahfeldmikroskop, ein Streumikroskop oder ein Weitfeldmikroskop sein. Für derartige Arten von Mikroskopen hat sich das hierin beschriebene Verfahren als besonders vorteilhaft erwiesen. Auch alle anderen Arten von Mikroskopen oder jedes andere beliebige optische Gerät, welche die eingangs beschriebenen Erfordernisse erfüllen, kann für die Ausführung des Verfahrens verwendet werden.The microscope can be, for example, a confocal microscope, a near-field microscope, a scattering microscope or a wide-field microscope. The method described herein has proven to be particularly advantageous for such types of microscopes. All other types of microscopes or any other optical device that meets the requirements described at the outset can also be used to carry out the method.

Gemäß einer Ausführung ist das Kalibrieren ein Kalibrieren eines Abstands. Die Probe weist dabei bevorzugt zumindest ein zweites optisches Zentrum auf. Dieses zweite optische Zentrum kann beispielsweise zum ersten optischen Zentrum einen Abstand aufweisen, welcher innerhalb der weiter oben bereits als vorteilhaft angegebenen unteren und/oder oberen Grenzen liegt.According to one embodiment, the calibration is a calibration of a distance. The sample preferably has at least one second optical center. This second optical center can, for example, have a distance from the first optical center which lies within the lower and / or upper limits already indicated above as advantageous.

Das Verfahren kann dabei bevorzugt einen Schritt des Bestimmens eines Abstands zwischen dem ersten optischen Zentrum und dem zweiten optischen Zentrum mittels einer elektromagnetischen Kopplungsmessung beinhalten. Eine solche elektromagnetische Kopplungsmessung ist vom Grundsatz her bekannt, beispielsweise aus den folgenden Publikationen:

  • P. Neumann, R. Kolesov, B. Naydenov, J. Beck, F. Rempp, M. Steiner, V. Jacques, G. Balasubramanian, M. L. Markham, D. J. Twitchen, S. Pezzagna, J. Meijer, J. Twamley, F. Jelezko, J. Wrachtrup, „Quantum register based on coupled electron spins in a room-temperature solid“, Nature Physics, vol. 6, no. 4, pp. 249-253, Apr. 2010 . [Online]; http://www.nature.com/articles/nphys1536
  • H. S. Knowles, D. M. Kara, M. Atatüre, „Demonstration of a coherent electronic spin cluster in diamond“, Physical Review Letters, vol. 117, no. 10, Sep. 2016 . [Online]; https-//doi.org/10.1103/physrevlett.117.100802
  • F. Dolde, M. W. Doherty, J. Michl, I. Jakobi, B. Naydenov, S. Pezzagna, J. Meijer, P. Neumann, F. Jelezko, N. B. Manson, J. Wrachtrup, „Nanoscale Detection of a Single Fundamental Charge in Ambient Conditions Using the NV Center in Diamond“, Physical Review Letters, vol. 112, no. 9, p. 097603, März 2014 . [Online]; https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett. 1 12.097603
The method can preferably include a step of determining a distance between the first optical center and the second optical center by means of an electromagnetic coupling measurement. Such an electromagnetic coupling measurement is known in principle, for example from the following publications:
  • P. Neumann, R. Kolesov, B. . Naydenov, J. Beck, F. Rempp, M. Steiner, V. Jacques, G. Balasubramanian, ML Markham, DJ Twitchen, S. Pezzagna, J. Meijer, J. Twamley, F. Jelezko, J. Wrachtrup, “Quantum register based on coupled electron spins in a room-temperature solid,” Nature Physics, vol. 6, no. 4, pp. 249-253, Apr. 2010 . [On-line]; http://www.nature.com/articles/nphys1536
  • HS Knowles, DM Kara, M. Atatüre, “Demonstration of a coherent electronic spin cluster in diamond”, Physical Review Letters, vol. 117, no.10, Sep. 2016 . [On-line]; https - // doi.org/10.1103/physrevlett.117.100802
  • F. Dolde, MW Doherty, J. Michl, I. Jakobi, B. Naydenov, S. Pezzagna, J. Meijer, P. Neumann, F. Jelezko, NB Manson, J. Wrachtrup, “Nanoscale Detection of a Single Fundamental Charge in Ambient Conditions Using the NV Center in Diamond, "Physical Review Letters, vol. 112, no.9, p. 097603, March 2014 . [On-line]; https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett. 1 12.097603

Grob zusammengefasst kann eine solche Kopplungsmessung oder Abstandsmessung beispielsweise folgendermaßen erfolgen:

  • - Anlegen eines Magnetfelds an die Probe,
  • - Anregen der beiden optischen Zentren mittels eines Anregungslichtstrahls,
  • - Anlegen eines ersten elektromagnetischen Wechselfelds bevorzugt im Mikrowellenspektrum, wobei beobachtet wird, dass jedes der beiden optischen Zentren bei beispielsweise jeweils zwei Frequenzen des ersten elektromagnetischen Wechselfelds das magnetische Moment ändert, was sich beispielsweise bei einer Stickstofffehlstelle in Diamant dadurch äußern kann, dass es dunkel wird,
  • - Anlegen des ersten elektromagnetischen Wechselfelds mit einer dieser Frequenzen, so dass eines der beiden optischen Zentren dunkel wird, wobei das erste elektromagnetische Wechselfeld ein zeitlich begrenzter Puls ist, so dass das magnetische Moment des ersten optischen Zentrums in einer Überlagerung des hellen und dunklen Zustandes endet und eine Präzession um das angelegte Magnetfeld startet (Larmor-Präzession),
  • - Anlegen eines zweiten elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz, so dass das andere optische Zentrum dunkel wird, wobei das elektromagnetische Wechselfeld ein zeitlich begrenzter Puls ist, so dass das magnetische Moment des zweiten optischen Zentrums verändert wird, was im Falle einer Wechselwirkung der beiden optischen Zentren zu einer Änderung der Präzessionsfrequenz des ersten optischen Zentrum führt,
  • - Anlegen des ersten elektromagnetischen Wechselfelds mit derselben Frequenz und Pulsdauer, so dass das erste optische Zentrum die Präzession beendet und entsprechend der Phase/des Fortschritts in der Präzession entweder dunkel oder hell wird,
  • - Variieren der Zeitpunkte, zu denen die elektromagnetischen Pulse angelegt werden, so dass der Verlauf der Präzession und somit die Änderung der Präzessionsfrequenz beobachtet werden kann,
  • - Rückrechnen aus der Änderung der Präzessionsfrequenz auf den Abstand zwischen den beiden optischen Zentren.
Roughly summarized, such a coupling measurement or distance measurement can take place, for example, as follows:
  • - applying a magnetic field to the sample,
  • - excitation of the two optical centers by means of an excitation light beam,
  • - Applying a first alternating electromagnetic field, preferably in the microwave spectrum, whereby it is observed that each of the two optical centers changes the magnetic moment at, for example, two frequencies of the first alternating electromagnetic field, which can be expressed, for example, in the case of a nitrogen vacancy in diamond, in that it becomes dark ,
  • - Applying the first alternating electromagnetic field with one of these frequencies so that one of the two optical centers becomes dark, the first alternating electromagnetic field being a time-limited pulse, so that the magnetic moment of the first optical center ends in a superposition of the light and dark state and a precession starts around the applied magnetic field (Larmor precession),
  • - Applying a second electromagnetic alternating field with a frequency so that the other optical center becomes dark, the electromagnetic alternating field being a time-limited pulse so that the magnetic moment of the second optical center is changed, which occurs in the event of an interaction between the two optical centers leads to a change in the precession frequency of the first optical center,
  • - Applying the first alternating electromagnetic field with the same frequency and pulse duration, so that the first optical center ends the precession and becomes either dark or light according to the phase / progress in the precession,
  • - Varying the times at which the electromagnetic pulses are applied, so that the course of the precession and thus the change in the precession frequency can be observed,
  • - Calculating back from the change in the precession frequency to the distance between the two optical centers.

Die Vorgehensweise kann auch als Ramsey-Sequenz bezeichnet werden und kann leicht zu einer erweiterten Pulssequenz, beispielsweise als Hahn-Echo-Sequenz, erweitert werden.The procedure can also be referred to as a Ramsey sequence and can easily be extended to an extended pulse sequence, for example as a Hahn echo sequence.

Es hat sich gezeigt, dass mittels einer solchen elektromagnetischen Kopplungsmessung der Abstand zwischen zwei optischen Zentren sehr genau bestimmt werden kann, so dass eine Auflösung bezüglich einzelner Gitterpositionen möglich ist. Eine Zeitgebung der Pulse kann dabei bestimmen, wann das jeweilige Feld anliegt und wann nicht.It has been shown that the distance between two optical centers can be determined very precisely by means of such an electromagnetic coupling measurement, so that a resolution with regard to individual grid positions is possible. A timing of the pulses can determine when the respective field is present and when not.

Bevorzugt wird bei der Kopplungsmessung eine auf ein Standardmaß zurückgeführte Zeitgebung von Pulsen verwendet. Dabei kann es sich beispielsweise um die bereits erwähnten ersten und/oder zweiten elektromagnetischen Wechselfelder handeln. Eine Rückführung auf ein Standardmaß bedeutet dabei, dass die Zeitgebung oder die Frequenz dieser elektromagnetischen Welle auf die SI-Einheit Sekunde kalibriert wird. Hierzu kann beispielsweise eine Atomuhr oder eine andere entsprechend genau gehende Uhr, beispielsweise aus einem Satellitennavigationssignal, verwendet werden. Diese kann insbesondere auf das entsprechende SI-Standardmaß kalibriert sein. Beispielsweise kann eine solche Atomuhr von einer Standardisierungsorganisation zur Verfügung gestellt werden.A timing of pulses that is reduced to a standard measure is preferably used in the coupling measurement. This can be the aforementioned first and / or second alternating electromagnetic fields, for example. A return to a standard measure means that the timing or the frequency of this electromagnetic wave is calibrated to the SI unit second. For this purpose, an atomic clock or another correspondingly precise clock, for example from a satellite navigation signal, can be used. This can in particular be calibrated to the corresponding SI standard dimension. For example, such an atomic clock can be made available by a standardization organization.

Durch das Rückführen der Zeitgebung bei einer Kopplungsmessung auf ein Standardmaß kann eine Probe erreicht werden, in welcher zwei optische Zentren mit einem Abstand vorhanden sind, welcher auf ein Standardmaß bzw. auf ein SI-Standardmaß kalibriert ist. Somit wird eine Probe bereitgestellt, welche als Referenz im Nanometer-Bereich dienen kann und SI-kalibriert ist.By tracing the timing in a coupling measurement back to a standard dimension, a sample can be obtained in which two optical centers are present at a distance which is calibrated to a standard dimension or to an SI standard dimension. A sample is thus provided which can serve as a reference in the nanometer range and is SI-calibrated.

Es sei verstanden, dass das Rückführen auf ein Standardmaß bzw. das Bereitstellen einer entsprechend kalibrierten Probe, eine solche Probe an sich und ein zugehöriges Verfahren sowie eine Verwendung einer solchen Probe für die hierin genannten Zwecke einen jeweiligen eigenständigen Erfindungsaspekt darstellen können.It should be understood that the tracing back to a standard dimension or the provision of a correspondingly calibrated sample, such a sample per se and an associated method as well as the use of such a sample for the purposes mentioned herein can represent a respective independent aspect of the invention.

Bevorzugt wird ein mittels eines Detektors ermittelter Abstand kalibriert. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass mittels des Detektors ein Abstand ermittelt wird, welcher beispielsweise in Pixeln des Detektors, in einer vom Detektor verfahrenen Strecke oder einer sonstigen vom Detektor verwendeten Maßeinheit angegeben wird. Es können beispielsweise auch Objektiv- oder Beamscanner oder Weitfeldkameras verwendet werden. Der Abstand der beiden optischen Zentren in der Probe ist dabei typischerweise bekannt, beispielsweise mittels der weiter oben bereits beschriebenen Kopplungsmessung. Dies ermöglicht es, ein im Detektor verwendetes Maß oder Koordinatensystem auf den tatsächlichen Abstand zu kalibrieren. Dies erlaubt eine sehr genaue Kalibration des Detektors, des mikroskopischen Aufbaus und/oder des eingesetzten Auswerteverfahrens, so dass man sicher sein kann, exakte Abstände zu messen, insbesondere im Nanometer-Bereich.A distance determined by means of a detector is preferably calibrated. This can mean, for example, that a distance is determined by means of the detector, which distance is specified, for example, in pixels of the detector, in a distance traveled by the detector or another unit of measurement used by the detector. For example, lens or beam scanners or wide-field cameras can also be used. The distance between the two optical centers in the sample is typically known, for example by means of the coupling measurement already described above. This makes it possible to calibrate a dimension or coordinate system used in the detector to the actual distance. This allows a very precise calibration of the detector, the microscopic structure and / or the evaluation method used, so that one can be sure to measure exact distances, especially in the nanometer range.

Der Abstand kann beispielsweise mittels emitterselektiver Aktivierung der optischen Zentren und/oder mittels Superresolutionsmethoden, Korrelationsauswertung oder Kreuzkorrelationsauswertung von durch den Detektor basierend auf dem erfassten Licht aufgenommenen Signalen ermittelt werden.The distance can be determined for example by means of emitter-selective activation of the optical centers and / or by means of super resolution methods, correlation evaluation or cross-correlation evaluation of signals recorded by the detector based on the detected light.

Dies kann beispielsweise bedeuten, dass, wie weiter oben bereits beschrieben, durch das Anlegen einer elektromagnetischen Welle aus dem Mikrowellenspektrum die optischen Zentren, welche als Emitter bezeichnet werden können, selektiv aktiviert bzw. deaktiviert werden und entsprechendes Licht vom Detektor erfasst wird. Basierend darauf erzeugte Signale können ausgewertet werden, beispielsweise indem eine jeweilige Gauß-Funktion auf ein Signal angefittet wird und das Maximum der Gauß-Funktion als Position des jeweiligen optischen Zentrums im Koordinatensystem des Detektors verwendet wird. Dementsprechend kann auch eine Kreuzkorrelationsauswertung vorgenommen werden. Entsprechende Techniken sind beispielsweise als Superresolutionsmethoden oder Superresolutionsmikroskopie bekannt, welche allgemein durch die Betrachtung gewisser Bereiche im mikroskopischen Aufbau, beispielsweise im Detektor oder Detektorsystem eine Auflösung ermöglichen, welche besser ist als die aufgrund des Beugungslimits begrenzte Auflösung des Mikroskops.This can mean, for example, that, as already described above, by applying an electromagnetic wave from the microwave spectrum, the optical centers, which can be referred to as emitters, are selectively activated or deactivated and corresponding light is detected by the detector. Signals generated based on this can be evaluated, for example by fitting a respective Gaussian function to a signal and using the maximum of the Gaussian function as the position of the respective optical center in the coordinate system of the detector. A cross-correlation evaluation can also be carried out accordingly. Corresponding techniques are known, for example, as super resolution methods or super resolution microscopy, which generally enable a resolution which is better by considering certain areas in the microscopic structure, for example in the detector or detector system is than the resolution of the microscope, which is limited due to the diffraction limit.

Gemäß einer Ausführung wird eine Mehrzahl von Abständen zwischen dem ersten optischen Zentrum und dem zweiten optischen Zentrum zu unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils vektoriell ermittelt. Dies kann insbesondere bedeuten, dass nicht nur eine Länge, sondern auch die Orientierung des Abstands in einem dreidimensionalen Koordinatensystem ermittelt wird. Aus den vektoriellen Abständen kann dann beispielsweise eine Rotation ermittelt werden.According to one embodiment, a plurality of distances between the first optical center and the second optical center are determined vectorially at different times. This can mean in particular that not only a length, but also the orientation of the distance is determined in a three-dimensional coordinate system. A rotation, for example, can then be determined from the vectorial distances.

Gemäß einer Ausführung wird eine Mehrzahl von Abständen zwischen dem ersten optischen Zentrum und dem zweiten optischen Zentrum zu unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils mittels des vom Detektor erfassten Lichts bestimmt. Dabei kann der Abstand in drei Dimensionen oder in zwei Dimensionen, insbesondere quer zur Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtstrahls und/oder einer optischen Achse des Mikroskops, bestimmt werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass nicht nur eine Länge, sondern auch die Orientierung des Abstandes in einem dreidimensionalen Koordinatensystem oder als Projektion in einem zweidimensionalen Koordinatensystem ermittelt wird. Aus den dreidimensionalen vektoriellen Abständen oder aus den zweidimensionalen Projektionen der Abstände kann dann beispielsweise eine Rotation der Probe ermittelt werden. Mit Wissen des dreidimensionalen vektoriellen Abstandes aus der magnetischen Abstandsbestimmung, beispielsweise wie weiter oben beschrieben, kann beispielsweise eine genauere Aussage über diese Rotation ermittelt werden.According to one embodiment, a plurality of distances between the first optical center and the second optical center are determined at different times in each case by means of the light detected by the detector. The distance can be determined in three dimensions or in two dimensions, in particular transversely to the direction of propagation of the excitation light beam and / or an optical axis of the microscope. This can mean in particular that not only a length, but also the orientation of the distance is determined in a three-dimensional coordinate system or as a projection in a two-dimensional coordinate system. A rotation of the sample can then be determined, for example, from the three-dimensional vectorial distances or from the two-dimensional projections of the distances. With knowledge of the three-dimensional vectorial distance from the magnetic distance determination, for example as described above, a more precise statement about this rotation can be determined, for example.

Beispielhafte Vorgehensweisen sind in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

  • Travis J. Gould, Daniel Burke, Joerg Bewersdorf, Martin J. Booth, „Adaptive optics enables 3D STED microscopy in aberrating specimens“, Optics Express 20, 19, 20998-21009 (2012)
  • B. Huang, W. Wang, M. Bates, X. Zhuang, „Three-Dimensional Super-Resolution Imaging by Stochastic Optical Reconstruction Microscopy“, Science 319, 810-813 (2008)
Exemplary procedures are described in the following publications:
  • Travis J. Gould, Daniel Burke, Joerg Bewersdorf, Martin J. Booth, "Adaptive optics enables 3D STED microscopy in aberrating specimens", Optics Express 20, 19, 20998-21009 (2012)
  • B. Huang, W. Wang, M. Bates, X. Zhuang, "Three-Dimensional Super-Resolution Imaging by Stochastic Optical Reconstruction Microscopy", Science 319, 810-813 (2008)

Durch eine solche Ausführung können beispielsweise Rotationen der Probe aufgrund von langfristigen Veränderungen des Probenhalters oder sonstiger Komponenten des Mikroskops ermittelt werden. Dadurch kann eine langfristige Überwachung des Mikroskops erfolgen. Insbesondere kann dabei immer die gleiche Probe verwendet werden.With such a design, for example, rotations of the sample due to long-term changes in the sample holder or other components of the microscope can be determined. This enables long-term monitoring of the microscope. In particular, the same sample can always be used.

Gemäß einer Ausführung ist das Kalibrieren ein Vermessen des Anregungslichtstrahls. Das erste optische Zentrum weist dabei bevorzugt zumindest ein optisches Übergangsdipolmoment auf. Dieses ist bevorzugt unveränderlich.According to one embodiment, the calibration is a measurement of the excitation light beam. The first optical center preferably has at least one optical transition dipole moment. This is preferably immutable.

Mittels eines solchen Verfahrens kann der Anregungslichtstrahl sehr genau vermessen werden, so dass Daten wie Intensität, elektrischer Feldvektor oder Polarisation des Anregungslichtstrahls mit einer hohen Ortsauflösung erfasst werden können. Dadurch können beispielsweise Ergebnisse, welche mittels des Mikroskops gewonnen werden, wesentlich genauer und besser interpretiert werden. Es sei erwähnt, dass unter dem Begriff einer Polarisation des Anregungslichtstrahls insbesondere ein Zustand vor Durchgang durch eine vor der Probe befindlichen Optik verstanden werden kann, wobei eine solche Polarisation gezielt eingestellt werden kann. Für die Wechselwirkung mit einem optischen Zentrum ist grundsätzlich das vektorielle elektrische Feld am Ort des optischen Zentrums relevant, welches von der Polarisation, aber auch von anderen Faktoren abhängen kann.By means of such a method, the excitation light beam can be measured very precisely, so that data such as intensity, electric field vector or polarization of the excitation light beam can be recorded with a high spatial resolution. As a result, for example, results obtained by means of the microscope can be interpreted much more precisely and better. It should be mentioned that the term polarization of the excitation light beam can be understood to mean, in particular, a state before it passes through an optical system located in front of the sample, wherein such a polarization can be set in a targeted manner. For the interaction with an optical center, the vector electric field at the location of the optical center is fundamentally relevant, which can depend on the polarization, but also on other factors.

Das erste optische Zentrum kann dabei beispielsweise relativ zum Anregungslichtstrahl verfahren werden, was beispielsweise durch Verfahren des Probenhalters erfolgen kann oder durch entsprechende Mechanismen im Probenhalter erfolgen kann. Dabei können insbesondere Änderungen des ausgesendeten Lichts ermittelt werden.The first optical center can, for example, be moved relative to the excitation light beam, which can be done, for example, by moving the sample holder or using appropriate mechanisms in the sample holder. In particular, changes in the emitted light can be determined.

Bei solchen Änderungen kann es sich beispielsweise um Intensitätsänderungen oder um Farbänderungen handeln. Diese können beispielsweise mittels des Detektors des Mikroskops erfasst werden. Dadurch kann ermittelt werden, wie sich das von der Probe ausgesendete Licht verändert, wenn sich das optische Zentrum an unterschiedlichen Stellen relativ zum Anregungslichtstrahl befindet. Es sei erwähnt, dass dies mittels aus dem Stand der Technik bekannter Proben, welche beispielsweise auf DNA-Molekülen basieren, nicht möglich ist, da diese sich beispielsweise drehen, wackeln oder ausbleichen können.Such changes can be, for example, changes in intensity or changes in color. These can be detected, for example, by means of the microscope's detector. This makes it possible to determine how the light emitted by the sample changes when the optical center is at different points relative to the excitation light beam. It should be mentioned that this is not possible using samples known from the prior art, which are based, for example, on DNA molecules, since these can, for example, rotate, wobble or fade.

Das Verfahren der Probe kann beispielsweise in einer Ebene quer zum Anregungslichtstrahl erfolgen. Es kann jedoch auch andersartig erfolgen, beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich eine Bewegung parallel zum Anregungslichtstrahl erfolgen. Es können auch Ebenen definiert werden, welche quer zum Anregungslichtstrahl stehen und in welchen das Verfahren erfolgt. Grundsätzlich kann eine beliebige Überlagerung der beschriebenen Bewegungen je nach Anwendungsfall erfolgen.The sample can be moved, for example, in a plane transverse to the excitation light beam. However, it can also take place differently, for example, alternatively or additionally, a movement can take place parallel to the excitation light beam. Planes can also be defined which are perpendicular to the excitation light beam and in which the method takes place. In principle, the movements described can be superimposed as desired, depending on the application.

Gemäß einer Ausführung ist der Anregungslichtstrahl polarisiert. Die Polarisation kann dabei beispielsweise linear, zirkulär, trivial oder hochkomplex sein, wobei unter einer trivialen Polarisation eine örtlich unveränderliche Polarisation verstanden wird und unter einer hochkomplexen Polarisation verstanden wird, dass sie an verschiedenen Orten verschieden ist.According to one embodiment, the excitation light beam is polarized. The polarization can be, for example, linear, circular, trivial or highly complex, trivial polarization being understood to be a spatially invariable polarization and a highly complex polarization is understood to mean that it is different in different places.

Während des Kalibrierens kann die Polarisation relativ zur Probe gedreht werden und die Probe kann relativ zum Anregungslichtstrahl örtlich unverändert belassen werden. Dabei können polarisationsabhängige Änderungen des ausgesendeten Lichts ermittelt werden. Dies ermöglicht es, die Reaktion der Probe bzw. des optischen Zentrums auf Änderungen in der Polarisation zu ermitteln. Dadurch kann wesentlich genauer als bei bisherigen Ausführungen ermittelt werden, wie sich eine Probe bei Änderungen, insbesondere bei Drehungen der Polarisation, verhält, und es kann der Anregungslichtstrahl sehr genau charakterisiert werden, da dessen Polarisation oder elektrische Feldvektoren auf diese Weise vermessen werden können.During the calibration, the polarization can be rotated relative to the sample and the sample can be left locally unchanged relative to the excitation light beam. Polarization-dependent changes in the emitted light can be determined. This makes it possible to determine the reaction of the sample or the optical center to changes in polarization. As a result, it can be determined much more precisely than in previous versions how a sample behaves in the event of changes, in particular when the polarization is rotated, and the excitation light beam can be characterized very precisely, since its polarization or electrical field vectors can be measured in this way.

Die Vermessung ist dreidimensional vektoriell möglich. Hierzu kann beispielsweise das bereits erwähnte, bevorzugt invariante, optische Übergangsdipolmoment des optischen Zentrums verwendet werden. Beispielsweise kann das optische Übergangsdipolmoment derart ausgebildet sein, dass eine maximale Emission erfolgt, wenn das optische Übergangsdipolmoment parallel zum elektrischen Feld des Anregungslichtstrahls steht, und dass eine minimale Emission oder auch gar keine Emission erfolgt, wenn das optische Übergangsdipolmoment quer zum elektrischen Feld des Anregungslichtstrahls steht. Dies kann beispielsweise dadurch ausgenutzt werden, dass die Probe und damit auch das optische Übergangsdipolmoment relativ zum Anregungslichtstrahl gedreht wird, wobei Probe oder optisches Zentrum dabei beispielsweise am gleichen Ort bleiben können. Dadurch kann beispielsweise ebenfalls der Anregungslichtstrahl vermessen werden. Es sei verstanden, dass eine Änderung einer Intensität beispielsweise ausgehend von einer maximalen Intensität, also beispielsweise bei parallel zum elektrischen Feld des Anregungslichtstrahls liegendem optischem Übergangsdipolmoment, gemessen werden kann, jedoch auch ausgehend von einer nicht vorhandenen Emission, also beispielsweise bei quer zum elektrischen Feld des Anregungslichtstrahls liegendem optischem Übergangsdipolmoment gemessen werden kann. Im letzteren Fall kann die Detektion in bestimmten Situationen einfacher sein, da von einem Nullsignal aus eine Veränderung festgestellt werden kann.The measurement is three-dimensional and vectorial. For example, the already mentioned, preferably invariant, optical transition dipole moment of the optical center can be used for this purpose. For example, the optical transition dipole moment can be designed in such a way that maximum emission occurs when the optical transition dipole moment is parallel to the electric field of the excitation light beam, and that minimal emission or even no emission occurs when the optical transition dipole moment is transverse to the electric field of the excitation light beam . This can be used, for example, in that the sample and thus also the optical transition dipole moment is rotated relative to the excitation light beam, with the sample or optical center being able to remain in the same location, for example. In this way, for example, the excitation light beam can also be measured. It should be understood that a change in an intensity can be measured, for example, starting from a maximum intensity, for example with an optical transition dipole moment lying parallel to the electric field of the excitation light beam, but also starting from a non-existent emission, for example when the electric field of the Excitation light beam lying optical transition dipole moment can be measured. In the latter case, detection can be simpler in certain situations, since a change can be determined from a zero signal.

Es sei verstanden, dass mittels des hierin beschriebenen Verfahrens jedes optische Feld charakterisiert werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um eine ebene Welle, um einen Fokus oder eine fokussierte Welle, um evaneszente Felder oder um jede Mode wie beispielsweise eine TEM00-Mode handeln. Insbesondere kann mittels des eben beschriebenen Verfahrens die Polarisation oder ein vektorielles elektrisches Feld charakterisiert werden.It should be understood that any optical field can be characterized using the method described herein. For example, it can be a plane wave, a focus or a focused wave, evanescent fields or any mode such as a TEM00 mode. In particular, the method just described can be used to characterize the polarization or a vector electric field.

Der Anregungslichtstrahl kann polarisiert sein, beispielsweise so wie weiter oben bereits beschrieben. Während des Kalibrierens kann die Polarisation relativ zur Probe unverändert belassen werden und die Probe kann relativ zum Anregungslichtstrahl örtlich unverändert belassen werden, wobei das ausgesendete Licht jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wird. Änderungen des ausgesendeten Lichts können dann zwischen den Zeitpunkten ermittelt werden. Durch eine solche Vorgehensweise kann eine Überwachung des Mikroskops zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgen, wobei vorzugsweise immer die gleiche Probe verwendet werden kann. Aufgrund der hohen Stabilität der Probe, welche durch einen Festkörper gebildet wird, sind Vergleiche zwischen unterschiedlichen, auch länger voneinander entfernten Zeitpunkten möglich. Dies ermöglicht eine laufende Überwachung der Stabilität des Mikroskops über einen längeren Zeitraum.The excitation light beam can be polarized, for example as already described above. During the calibration, the polarization can be left unchanged relative to the sample and the sample can be left locally unchanged relative to the excitation light beam, the emitted light being determined at different times. Changes in the emitted light can then be determined between the points in time. Such a procedure enables the microscope to be monitored at different times, with the same sample preferably always being able to be used. Due to the high stability of the sample, which is formed by a solid body, comparisons between different points in time, even those that are longer apart, are possible. This enables the stability of the microscope to be continuously monitored over a longer period of time.

Der Anregungslichtstrahl kann polarisiert sein, beispielsweise wie weiter oben bereits beschrieben. Während des Kalibrierens kann die Polarisation gedreht und das erste optische Zentrum relativ zum Anregungslichtstrahl verfahren werden, um polarisationsabhängige Intensitätsmaxima zu ermitteln, wobei hierbei die gemessene Intensität gemeint ist. Insbesondere kann zu jeder angelegten Polarisation ein zugehöriges Intensitätsmaximum oder eine zugehörige Intensitätsverteilung ermittelt werden. Die gemessene Intensität hängt typischerweise vom Skalarprodukt zwischen elektrischem Feld am Ort des optischen Zentrums mit dem optischen Übergangsdipolmoment des optischen Zentrums ab. Das elektrische Feld kann dabei beispielsweise durch einen Astigmatismus in einer Anregungsoptik verzerrt sein. Dadurch kann ermittelt werden, an welchen Stellen die Probe eine besonders hohe Emission von Licht zeigt, wodurch ebenfalls die Polarisation oder das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls kalibriert werden können. Anders ausgedrückt ist es durch die eben beschriebene Vorgehensweise bekannt, an welchen Stellen die Wirkung des Anregungslichtstrahls auf eine bestimmte Probe oder auf ein bestimmtes optisches Zentrum besonders hoch oder eben auch geringer ist.The excitation light beam can be polarized, for example as already described above. During the calibration, the polarization can be rotated and the first optical center can be moved relative to the excitation light beam in order to determine polarization-dependent intensity maxima, whereby the measured intensity is meant here. In particular, an associated intensity maximum or an associated intensity distribution can be determined for each applied polarization. The measured intensity typically depends on the scalar product between the electric field at the location of the optical center and the optical transition dipole moment of the optical center. The electric field can be distorted, for example, by astigmatism in an excitation optics. This makes it possible to determine at which points the sample shows a particularly high emission of light, whereby the polarization or the electric field of the excitation light beam can also be calibrated. In other words, from the procedure just described, it is known at which points the effect of the excitation light beam on a specific sample or on a specific optical center is particularly high or even lower.

Gemäß einer Ausführung ist das Kalibrieren ein Kalibrieren einer absoluten Intensität oder einer Sammlungseffizienz des Mikroskops. Dadurch kann beispielsweise erfasst werden, wie viele Photonen von einem Mikroskop detektiert werden und/oder welcher Anteil von Photonen, welche von einer Probe ausgesendet werden, vom Mikroskop bzw. von dessen Detektor tatsächlich erfasst wird. Dies erlaubt eine Charakterisierung des optischen Systems des Mikroskops.According to one embodiment, the calibration is a calibration of an absolute intensity or a collection efficiency of the microscope. In this way it can be recorded, for example, how many photons are detected by a microscope and / or which proportion of photons which are emitted by a sample is actually detected by the microscope or its detector. This allows the optical system of the microscope to be characterized.

Der Anregungslichtstrahl kann beispielsweise eine Intensität aufweisen, bei welcher das erste optische Zentrum mit einer Rate entsprechend dem Inversen der Lebensdauer seines angeregten Zustands emittiert. Die Intensität kann auch so hoch sein, dass das erste optische Zentrum mit maximaler Photonenemissionsrate emittiert.The excitation light beam can, for example, have an intensity at which the first optical center emits at a rate corresponding to the inverse of the lifetime of its excited state. The intensity can also be so high that the first optical center emits at the maximum photon emission rate.

Durch eine solche Ausführung kann erreicht werden, dass die Anzahl der in einem bestimmten Zeitraum, beispielsweise innerhalb einer Sekunde, ausgesendeten, beispielsweise emittierten Photonen bekannt ist und somit anhand der vom Detektor erfassten Photonen leicht zurückgerechnet werden kann, welcher Anteil der ausgesendeten Photonen durch die Abfrageoptik bis zum Detektor gelangt und von diesem detektiert wird.Such an embodiment can ensure that the number of photons emitted, for example emitted, is known in a certain period of time, for example within one second, and the proportion of photons emitted by the interrogation optics can thus easily be calculated back using the photons detected by the detector reaches the detector and is detected by it.

Eine Rate entsprechend dem Inversen der Lebensdauer des angeregten Zustands kann insbesondere dann erreicht werden, wenn das erste optische Zentrum ein reines Zwei-Niveau-System ist bzw. einem idealisierten Zwei-Niveau-System möglichst weitgehend entspricht, was beispielsweise bedeuten kann, dass keine konkurrierenden Zerfallswege vorhanden sind. Das System wird in diesem Fall typischerweise aus einem Grundzustand angeregt, verbleibt im Schnitt mit der Lebensdauer des angeregten Zustands im angeregten Zustand, gelangt durch Emission eines Photons in den Grundzustand zurück und wird aufgrund der dafür ausreichenden Intensität des Anregungslichtstrahls sofort wieder in den angeregten Zustand gebracht. Eine maximale Photonenemissionsrate ist allgemeiner gefasst und umfasst nicht nur den eben beschriebenen Fall eines entsprechend angeregten Zwei-Niveau-Systems, sondern berücksichtigt auch den Fall, dass konkurrierende Zerfallsprozesse vorhanden sind. Beispielsweise kann aus einem angeregten Zustand nicht nur eine Relaxation unmittelbar in den Grundzustand möglich sein, sondern es kann auch ein Zwischenzustand vorhanden sein, welcher energetisch zwischen Grundzustand und angeregtem Zustand angeordnet ist und in welchen ein Zerfall vom angeregten Zustand aus stattfinden kann. Dies erfolgt typischerweise ohne Photonenemission oder zumindest mit einer Photonenemission in einer anderen Wellenlänge. Der Zwischenzustand kann beispielsweise eine andere, beispielsweise deutlich längere Lebensdauer als der angeregte Zustand haben. Derartige Zustände können auch als Dunkelzustände bezeichnet werden. Sie können beispielsweise durch Trapping, hervorgerufen beispielsweise durch Fehlstellen, Verunreinigungen oder andere Merkmale, entstehen. Dies kann dazu führen, dass die Photonenemissionsrate auch bei hoher Anregung geringer, beispielsweise auch deutlich geringer, sein kann als das Inverse der Lebensdauer des angeregten Zustands. Trotzdem sind bei typischen optischen Zentren die entsprechenden Lebensdauern der Zustände bekannt, so dass die Photonenemissionsrate berechnet werden kann, oder sie ist aus anderweitigen Messungen bekannt. Die hier beschriebene Anregung eines optischen Zentrums kann auch als Sättigung bezeichnet werden.A rate corresponding to the inverse of the lifetime of the excited state can be achieved in particular if the first optical center is a purely two-level system or corresponds as closely as possible to an idealized two-level system, which can mean, for example, that no competing Disintegration paths are available. In this case, the system is typically excited from a ground state, remains in the excited state for the life of the excited state, returns to the ground state by emitting a photon and is immediately brought back into the excited state due to the sufficient intensity of the excitation light beam . A maximum photon emission rate is more general and includes not only the case just described of a correspondingly excited two-level system, but also takes into account the case that competing decay processes are present. For example, from an excited state, not only can relaxation directly into the ground state be possible, but there can also be an intermediate state which is energetically located between the ground state and the excited state and in which a decay from the excited state can take place. This typically takes place without photon emission or at least with photon emission in a different wavelength. The intermediate state can, for example, have a different, for example significantly longer, lifetime than the excited state. Such states can also be referred to as dark states. They can arise, for example, from trapping, caused for example by defects, contamination or other features. This can lead to the fact that the photon emission rate can be lower, for example also significantly lower, than the inverse of the lifetime of the excited state, even with high excitation. Nevertheless, the corresponding lifetimes of the states are known in typical optical centers, so that the photon emission rate can be calculated, or it is known from other measurements. The excitation of an optical center described here can also be referred to as saturation.

Der Anregungslichtstrahl kann beispielsweise bei mehrfacher Durchführung des Verfahrens zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder mit unterschiedlichen Mikroskopen und/oder mit unterschiedlichen Teilen von Mikroskopen und/oder mit unterschiedlichen Konfigurationen und/oder mit unterschiedlichen Auswerteverfahren, jedoch mit gleicher Probe, eine jeweils gleiche Intensität aufweisen. Dies ermöglicht einen Vergleich der detektierten Photonen pro Zeiteinheit zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder zwischen unterschiedlichen Mikroskopen. Derartige Vergleiche sind mit den hierin beschriebenen Proben in Form von Festkörpern möglich, da diese über längere Zeiträume konstant und unverändert bleiben und ein konstantes Verhalten zeigen. Entsprechende Proben können beispielsweise aufgrund ihrer Robustheit auch über längere Strecken ungekühlt und ohne sonstigen großen Aufwand und ohne Beschädigung transportiert werden, um auf diese Weise Mikroskope an unterschiedlichen Standorten miteinander zu vergleichen.The excitation light beam can, for example, have the same intensity when the method is carried out multiple times at different times and / or with different microscopes and / or with different parts of microscopes and / or with different configurations and / or with different evaluation methods, but with the same sample. This enables a comparison of the detected photons per unit of time at different times and / or between different microscopes. Such comparisons are possible with the samples described herein in the form of solids, since these remain constant and unchanged over long periods of time and show constant behavior. Due to their robustness, corresponding samples can also be transported uncooled over long distances without any other great effort and damage, for example, in order to compare microscopes at different locations with one another.

Unter einer definierten Anregungsleistung wird beispielsweise eine vorgegebene Leistung des Anregungslichtstrahls oder eine vorgegebene Intensität des Anregungslichtstrahls verstanden, welche beispielsweise so hoch sein kann, dass wie weiter oben bereits beschrieben eine maximale Photonenemissionsrate und/oder eine Photonenemissionsrate entsprechend dem Inversen der Lebensdauer des angeregten Zustands erreicht wird, es kann jedoch auch eine definierte Anregungsleistung verwendet werden, welche kleiner ist. Aufgrund der ansonsten unveränderten und definierten Verhältnisse führt eine solche definierte Anregungsleistung zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder bei unterschiedlichen Mikroskopen typischerweise zu einer gleichen Aussendung von Licht, wobei aus Änderungen in einer solchen Aussendung von Licht ebenfalls auf Veränderungen eines Mikroskops zwischen den Zeitpunkten und/oder auf Unterschiede zwischen unterschiedlichen Mikroskopen geschlossen werden kann.A defined excitation power is understood to mean, for example, a predetermined power of the excitation light beam or a predetermined intensity of the excitation light beam, which can be so high, for example, that, as already described above, a maximum photon emission rate and / or a photon emission rate corresponding to the inverse of the lifetime of the excited state is achieved However, a defined excitation power which is smaller can also be used. Because of the otherwise unchanged and defined conditions, such a defined excitation power at different times and / or with different microscopes typically leads to the same emission of light, changes in such emission of light also being due to changes in a microscope between the times and / or Differences between different microscopes can be inferred.

Mit den hier beschriebenen Maßnahmen kann insbesondere auch die Detektion oder ein Verhalten des Detektors und/oder einer Abfrageoptik kalibriert werden. Sie sind dafür entsprechend anwendbar. Eine Probe kann dabei beispielsweise auch relativ zum Detektor rotiert oder bewegt werden.With the measures described here, in particular, the detection or a behavior of the detector and / or an interrogation optics can also be calibrated. They are applicable accordingly. A sample can for example also be rotated or moved relative to the detector.

Die Sammlungseffizienz des Mikroskops kann beispielsweise als Quotient aus erfassten Photonen in einem Zeitintervall geteilt durch emittierte Photonen in dem Zeitintervall berechnet werden. Dies ermöglicht eine einfache und zweckmäßige Berechnung der Sammlungseffizienz. Sie gibt an, wie viele der emittierten Photonen tatsächlich vom Detektor erfasst werden.The collection efficiency of the microscope can be calculated, for example, as the quotient of photons captured in a time interval divided by photons emitted in the time interval. This enables the collection efficiency to be calculated simply and conveniently. It indicates how many of the emitted photons are actually recorded by the detector.

Das Verfahren kann beispielsweise mittels einer Mehrzahl von Mikroskopen unter Verwendung derselben Probe durchgeführt werden. Ergebnisse beim jeweiligen Kalibrieren der Mikroskope können miteinander verglichen werden. Dies ermöglicht einen Vergleich unterschiedlicher Mikroskope, welche sich beispielsweise auch an unterschiedlichen Standorten befinden können. Auch Vergleiche zwischen unterschiedlichen Teilen von Mikroskopen oder Auswerteverfahren sind möglich. Dabei wird in vorteilhafter Weise die Tatsache ausgenutzt, dass bei den hierin beschriebenen Proben in Form von Festkörpern ein Transport auch über längere Strecken und längere Zeiträume möglich ist, ohne dass hierfür ein besonderer Aufwand wie beispielsweise Kühlung erforderlich wäre. Dies ist mit aus dem Stand der Technik bekannten Proben nicht möglich. Es sei verstanden, dass ein entsprechender Vergleich zwischen Mikroskopen einen eigenständigen Erfindungsaspekt darstellen kann. Dabei kann das Verfahren in allen hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten verwendet werden.The method can for example be carried out by means of a plurality of microscopes using the same sample. Results when calibrating the microscope can be compared with one another. This enables a comparison of different microscopes, which can also be located at different locations, for example. Comparisons between different parts of microscopes or evaluation processes are also possible. The fact that the samples described herein in the form of solids can also be transported over longer distances and longer periods of time is advantageously used without the need for special expenditure such as cooling. This is not possible with samples known from the prior art. It should be understood that a corresponding comparison between microscopes can represent an independent aspect of the invention. The method can be used in all of the embodiments and variants described herein.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Mikroskopanordnung. Die Mikroskopanordnung weist ein Mikroskop auf. Das Mikroskop weist Folgendes auf:

  • - einen Probenhalter zur Aufnahme einer Probe,
  • - eine Anregungsoptik zum Richten eines Anregungslichtstrahls auf die Probe,
  • - eine Abfrageoptik zum Aufnehmen von durch die Probe ausgesendetem Licht,
  • - einen Detektor zum Erfassen von durch die Abfrageoptik aufgenommenem Licht,
  • - eine elektronische Steuerungsvorrichtung, welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren wie hierin beschrieben auszuführen.
The invention also relates to a microscope arrangement. The microscope arrangement has a microscope. The microscope has the following:
  • - a sample holder for holding a sample,
  • - excitation optics for directing an excitation light beam onto the sample,
  • - an interrogation optics for receiving light emitted by the sample,
  • - A detector for detecting light picked up by the interrogation optics,
  • an electronic control device which is configured to carry out a method as described herein.

Die Mikroskopanordnung weist ferner eine Probe in Form eines Festkörpers auf, wobei der Festkörper zumindest ein erstes optisches Zentrum aufweist, welches nach Anregung Licht aussendet.The microscope arrangement also has a sample in the form of a solid, the solid having at least one first optical center which emits light after being excited.

Mittels der erfindungsgemäßen Mikroskopanordnung können die bereits weiter oben mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren in all seinen Varianten beschriebenen Vorteile erreicht werden. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Es sei verstanden, dass die Mikroskopanordnung eine Kombination eines Mikroskops einschließlich seiner Steuerungsvorrichtung mit einer Probe in Form eines Festkörpers ist. Diese können beispielsweise räumlich benachbart zueinander angeordnet sein. Die Probe kann insbesondere auch in den Probenhalter eingesetzt sein.The advantages described above with reference to the method according to the invention in all of its variants can be achieved by means of the microscope arrangement according to the invention. With regard to the method, all embodiments and variants described herein can be used. It should be understood that the microscope arrangement is a combination of a microscope including its control device with a sample in the form of a solid body. These can for example be arranged spatially adjacent to one another. In particular, the sample can also be inserted into the sample holder.

Die Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise ein Computer oder eine andere programmierbare Vorrichtung sein, welche sich benachbart zu den sonstigen Komponenten des Mikroskops oder auch an einem davon entfernten Ort befinden kann. Es sei verstanden, dass bei einem Mikroskop Datengewinnung und Datenauswertung grundsätzlich auch räumlich voneinander getrennt stattfinden können, so dass beispielsweise die Durchführung des Verfahrens auch auf ein Rechenzentrum ausgelagert werden kann. Es sei außerdem verstanden, dass die Steuerungsvorrichtung typischerweise nur insofern zur Ausführung des Verfahrens konfiguriert ist, als dies technisch möglich ist. So können beispielsweise Schritte wie das Einsetzen der Probe und/oder gewisse Justageaufgaben anderweitig, beispielsweise manuell, ausgeführt werden.The control device can for example be a computer or another programmable device which can be located adjacent to the other components of the microscope or also at a location remote therefrom. It should be understood that in the case of a microscope, data acquisition and data evaluation can in principle also take place spatially separated from one another, so that, for example, the implementation of the method can also be outsourced to a data center. It should also be understood that the control device is typically configured to carry out the method only to the extent that this is technically possible. For example, steps such as inserting the sample and / or certain adjustment tasks can be carried out otherwise, for example manually.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein Programmcode gespeichert ist, bei dessen Ausführung ein Prozessor ein hierin beschriebenes Verfahren ausführt. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.The invention further relates to a non-volatile computer-readable storage medium on which a program code is stored, which, when executed, a processor carries out a method described herein. With regard to the method, all embodiments and variants described herein can be used.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verwendung einer Probe zum Kalibrieren eines Mikroskops. Die Probe ist dabei ein Festkörper mit zumindest einem ersten optischen Zentrum, welches nach Anregung Licht aussendet. Mittels einer solchen Verwendung können die bereits weiter oben mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile erreicht werden. Es kann bezüglich aller Varianten der Verwendung auf die mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Varianten zurückgegriffen werden.The invention also relates to a use of a sample for calibrating a microscope. The sample is a solid body with at least one first optical center which emits light after being excited. By means of such a use, the advantages already described above with reference to the method according to the invention can be achieved. With regard to all variants of the use, the variants described with reference to the method can be used.

Insbesondere kann das Mikroskop bei der Verwendung folgendes aufweisen:

  • - einen Probenhalter zur Aufnahme einer Probe,
  • - eine Anregungsoptik zum Richten eines Anregungslichtstrahls auf die Probe,
  • - eine Abfrageoptik zum Aufnehmen von durch die Probe ausgesendetem Licht,
  • - einen Detektor zum Erfassen von durch die Abfrageoptik aufgenommenem Licht.
In particular, the microscope can have the following when used:
  • - a sample holder for holding a sample,
  • - excitation optics for directing an excitation light beam onto the sample,
  • - an interrogation optics for receiving light emitted by the sample,
  • a detector for detecting light picked up by the interrogation optics.

Die Probe kann beispielsweise nur ein optisches Zentrum oder ein erstes und ein zweites optisches Zentrum aufweisen.The sample can for example have only one optical center or a first and a second optical center.

Das erste optische Zentrum und das zweite optische Zentrum können einen Abstand von mindestens einem Gitterplatz oder von mindestens 1 nm oder von mindestens 3 nm voneinander haben. Das erste optische Zentrum und das zweite optische Zentrum können auch einen Abstand von höchstens 100 nm oder von höchstens 50 nm oder von höchstens 20 nm voneinander haben.The first optical center and the second optical center can be at a distance of have at least one lattice site or at least 1 nm or at least 3 nm from one another. The first optical center and the second optical center can also be at a distance of at most 100 nm or at most 50 nm or at most 20 nm from one another.

Als optische Zentren können spinaktive optische Zentren, magnetisch koppelbare optische Zentren oder anderweitig koppelbare optische Zentren verwendet werden.Spin-active optical centers, magnetically couplable optical centers or otherwise couplable optical centers can be used as optical centers.

Als Festkörper kann beispielsweise Diamant oder Siliziumcarbid verwendet werden. Auch andere Arten von Festkörpern können jedoch verwendet werden. Als optische Zentren können insbesondere Stickstofffehlstellen verwendet werden, wobei auch andere Arten von optischen Zentren verwendet werden können.Diamond or silicon carbide, for example, can be used as the solid. However, other types of solids can also be used. In particular, nitrogen vacancies can be used as optical centers, it also being possible to use other types of optical centers.

Auch ansonsten sei verstanden, dass auf alle mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Ausführungen und Varianten bezüglich der Verwendung zurückgegriffen werden kann.Otherwise, it should also be understood that all of the designs and variants described with reference to the method with regard to the use can be used.

Das Kalibrieren kann insbesondere gemäß dem Verfahren erfolgen. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.The calibration can in particular take place according to the method. With regard to the method, all embodiments and variants described herein can be used.

Das Kalibrieren kann insbesondere auch mittels einer hierin beschriebenen Mikroskopanordnung erfolgen. Auch diesbezüglich kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.The calibration can in particular also take place by means of a microscope arrangement described herein. In this regard, too, all of the embodiments and variants described herein can be used.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Probe in Form eines Festkörpers mit zumindest einem optischen Zentrum, welches nach Anregung Licht aussendet. Die Probe ist dabei zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, in einer erfindungsgemäßen Mikroskopanordnung oder in einer erfindungsgemäßen Verwendung vorgesehen und/oder konfiguriert. Bezüglich des Verfahrens, der Mikroskopanordnung und der Verwendung kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.The invention also relates to a sample in the form of a solid body with at least one optical center which emits light after being excited. The sample is provided and / or configured for use in a method according to the invention, in a microscope arrangement according to the invention or in a use according to the invention. With regard to the method, the microscope arrangement and the use, all of the embodiments and variants described herein can be used.

Allgemein kann mittels der hierin beschriebenen Maßnahmen, beispielsweise des Verfahrens, der Verwendung und der Mikroskopanordnung, eine Mehrzahl von Aufgaben ausgeführt werden, welche mit bisher aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen nicht möglich waren.In general, by means of the measures described here, for example the method, the use and the microscope arrangement, a plurality of tasks can be carried out which were not possible with embodiments previously known from the prior art.

Dies sind beispielsweise:

  1. 1. Kalibrierung des genauen Abstands zweier Fluorophore, beispielsweise für die Konfokalmikroskopie oder für Konfokalmikroskope,
  2. 2. Verwendung zweier Fluorophore als rückführbares Standardmaß (Normal) für Nanometerabstände,
  3. 3. Kalibrierung der genauen Verteilung der Lichtintensität und der Polarisation bzw. elektrischem Feld am Ort des Fokus,
  4. 4. Kalibrierung der absoluten Intensität und der Sammlungseffizienz des mikroskopischen Aufbaus,
  5. 5. Vergleich von Mikroskopen unter Verwendung der gleichen Probe.
These are for example:
  1. 1. Calibration of the exact distance between two fluorophores, for example for confocal microscopy or for confocal microscopes,
  2. 2. Use of two fluorophores as a traceable standard measure (normal) for nanometer distances,
  3. 3. Calibration of the exact distribution of the light intensity and the polarization or electric field at the location of the focus,
  4. 4. Calibration of the absolute intensity and the collection efficiency of the microscopic structure,
  5. 5. Comparison of microscopes using the same sample.

Es sei verstanden, dass diese Aufzählung lediglich beispielhaft und keineswegs einschränkend zu verstehen ist. Die genannten Punkte können jedoch als jeweils eigenständige Erfindungsaspekte aufgefasst werden.It should be understood that this list is only to be understood as an example and in no way restrictive. The points mentioned can, however, be understood as independent aspects of the invention.

Im Stand der Technik sind beispielsweise zu Untersuchungen an der Quanteneffizienz von Emittern gewisse Standards bekannt. Für die Kolokalisation sind beispielsweise DNA-Origamiproben bekannt. Diese können beispielsweise zwei oder mehr Fluorophore enthalten, die abgebildet werden können. Derartige Proben haben sich jedoch als nicht langlebig erwiesen, was deren Verwendung als Referenz für unterschiedliche Zeitpunkte und/oder für an unterschiedlichen Orten befindliche Mikroskope oder Mikroskopteile ausschließt.In the prior art, for example, certain standards are known for investigations into the quantum efficiency of emitters. For example, DNA origami samples are known for colocalization. For example, these can contain two or more fluorophores that can be imaged. However, such samples have not proven to be long-lived, which excludes their use as a reference for different times and / or for microscopes or microscope parts located at different locations.

Es hat sich des Weiteren gezeigt, dass es bei DNA-Molekülen, die zwei oder mehr Fluorophore enthalten, zum Bleichen von Fluorophoren kommen kann, wobei diese ihre Fluoreszenzeigenschaften verlieren. Dies kann als ein Hauptproblem derartiger Proben betrachtet werden. Passiert dies bei einem Molekül, so ist dieses nicht mehr zur Eichung verwendbar. Die Proben sind temperaturempfindlich und müssen häufig gekühlt werden, was einen erheblichen Aufwand verursacht. Selbst bei guter Lagerung sind die Moleküle nur für wenige Monate verwendbar. Es ist auch bekannt, dass der Abstand zwischen den Fluorophoren bei DNA-Origami bei einem Molekül nur auf einige Nanometer genau angegeben werden kann. Messungen damit erlauben keine Aussage über die Polarisation bzw. die vektorielle Zusammensetzung des angelegten Lichtfelds. Als Resultat aus dem Bleichen der Fluorophore ist auch ein Vergleich verschiedener Mikroskope am selben Emitterpaar nur bedingt oder nicht möglich. Für eine Verwendung als Standardmaß müssten Abstandsmessungen an Molekülen mit einem geeichten Mikroskop vollzogen werden, wofür geeichte Messschrauben verwendet werden müssten. Diese sind jedoch bei Weitem nicht so genau wie die weiter oben beschriebene Zeitreferenz.It has also been shown that in the case of DNA molecules which contain two or more fluorophores, fluorophores can be bleached, whereby these lose their fluorescent properties. This can be considered to be a major problem with such samples. If this happens to a molecule, it can no longer be used for calibration. The samples are temperature-sensitive and often have to be cooled, which causes considerable effort. Even if stored properly, the molecules can only be used for a few months. It is also known that the distance between the fluorophores in DNA origami can only be specified to within a few nanometers for a molecule. Measurements with it do not allow any statement about the polarization or the vectorial composition of the applied light field. As a result of the bleaching of the fluorophores, a comparison of different microscopes on the same emitter pair is only possible to a limited extent or not possible. For use as a standard measure, distance measurements on molecules would have to be carried out with a calibrated microscope, for which calibrated micrometers would have to be used. However, these are nowhere near as accurate as the time reference described above.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei der Anwendung von Techniken zur Messung unterhalb des Brechungslimits (Superresolution) eine genaue Bestimmung des Felds im Fokus von Bedeutung sein kann. Außerdem ist es von Vorteil, wenn Mikroskope vergleichbar und akkurat sind. Die Kolokalisation kann von besonderer Bedeutung sein, da Drift oder sonstige Positionsänderungen, zum Beispiel Neuauflegen der Probe, hierbei die Präzision der Messung nicht verändern.It has been shown that, especially when using techniques for measuring below the refraction limit (super resolution), an exact determination of the field in the focus can be important. It is also an advantage if microscopes are comparable and accurate. The colocalization can be of particular importance because drift or other changes in position, for example reloading the sample, do not change the precision of the measurement.

Die hierin beschriebene Probe kann beispielsweise auf fluoreszierenden oder lumineszenten Defektzentren in Festkörpern wie beispielsweise Stickstofffehlstellen in Diamant basieren. Diese bleichen nicht und lassen sich mit alternativen Elektronenspinresonanz (ESR)-Methoden lokalisieren. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Emitter über ihre Photonenstatistik zu bestimmen. Da der Abstand zweier Emitter in einem Festkörper aufgrund der niedrigen Diffusionswahrscheinlichkeit solcher Defekte über lange Zeiträume konstant ist, ermöglicht eine solche Probe eine lang haltbare Probe zur Mikroskopeichung.The sample described herein can, for example, be based on fluorescent or luminescent defect centers in solids, such as nitrogen vacancies in diamond. These do not bleach and can be located using alternative electron spin resonance (ESR) methods. It is also possible to determine the number of emitters using their photon statistics. Since the distance between two emitters in a solid body is constant over long periods of time due to the low diffusion probability of such defects, such a sample enables a long-lasting sample for microscope calibration.

Insbesondere können fluoreszierende Defektzentren in Festkörpern zur Untersuchung von Mikroskopen verwendet werden. Beispielsweise können Stickstofffehlstellen in Diamant verwendet werden, deren Fluoreszenzeigenschaften sehr gut untersucht sind und denen von in der Mikroskopie relevanten biologischen Proben entsprechen können. Die Lokalisation der einzelnen Emitter kann bei Defektzentren auch unabhängig von optischer Mikroskopie über Elektronenspinresonanzmethoden ermittelt werden, wie zum Beispiel durch Anlegen eines Gradientenfelds oder im Falle einer Kolokalisation über magnetische dipolare Kopplung oder elektrische Feldmessungen zwischen zwei Emittern. Hiermit lassen sich beispielsweise Abstände von ca. 3 nm bis 100 nm abdecken.In particular, fluorescent defect centers in solids can be used for the examination of microscopes. For example, nitrogen vacancies in diamond can be used, the fluorescence properties of which have been very well investigated and can correspond to those of biological samples relevant in microscopy. In the case of defect centers, the localization of the individual emitters can also be determined independently of optical microscopy using electron spin resonance methods, for example by applying a gradient field or, in the case of colocalization, using magnetic dipolar coupling or electrical field measurements between two emitters. This can be used, for example, to cover distances of approx. 3 nm to 100 nm.

Fluoreszierende Defektzentren oder andere optische Zentren in Festkörpern sind üblicherweise photostabil, das heißt sie bleichen und diffundieren nicht. Das bedeutet, dass die Proben über lange Zeit stabil und nutzbar sind. Da die Emitter in einem Festkörper sind, sind Handhabung, Lagerung und Transport der Proben einfach. Sie sind zudem temperaturbeständig. In Hinsicht auf die Kolokalisation ist zudem von Vorteil, dass der Abstand auf die Größe des Fluorophors genau festgelegt ist und sich nicht mehr verändert. Das heißt: Ist der Relativabstand eines Emitterpaars einmal bestimmt, so kann die Probe wiederholt zum Justieren und Charakterisieren von Mikroskopen eingesetzt werden. Da der Abstand genau festgelegt ist, muss auch keine Statistik über ein Ensemble aus Emitterpaaren durchgeführt werden. Durch eine Rückführung der Abstandsbestimmung auf das SI-Einheitensystem lassen sich Emitterpaare als Nanometerstandardmaß (Normal) verwenden. Die Abstandsbestimmung erfolgt im Falle der magnetischen dipolaren Kopplung beispielsweise über eine Zeitmessung der Elektronenspinresonanz. Die optischen dipolaren Übergangsmomente sind zudem fest und rotieren nicht. Dies ermöglicht nicht nur die Messung der Intensität des Fokus, sondern auch der vektoriellen Zusammensetzung des elektrischen Felds. Sind die Fluorophore in einem Kristallgitter eingebettet, wie dies bei Stickstofffehlstellen in Diamant der Fall ist, so können die optischen Übergangsdipolmomente aus den Kristallachsen abgeleitet werden. Verfahren zur Herstellung von Festkörperproben mit einzelnen Fluorophoren und Fluorophorpaaren sind bekannt, wie zum Beispiel bei Stickstofffehlstellen durch Ionenimplantation durch nanoskopische Masken. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der folgenden Veröffentlichung beschrieben:

  • I. Jakobi, S. A. Momenzadeh, F. F. De Oliveira, J. Michl, F. Ziem, M. Schreck, P. Neumann, A. Denisenko, J. Wrachtrup, „Efficient creation of dipolar coupled nitrogen-vacancy spin qubits in diamond“, Journal of Physics: Conference Series, vol. 752, no. 1, 2016
Fluorescent defect centers or other optical centers in solids are usually photostable, i.e. they do not bleach or diffuse. This means that the samples are stable and usable for a long time. Since the emitters are in a solid body, handling, storage and transportation of the samples are easy. They are also temperature resistant. With regard to the colocalization, it is also advantageous that the distance is precisely fixed to the size of the fluorophore and no longer changes. That means: Once the relative distance of an emitter pair has been determined, the sample can be used repeatedly to adjust and characterize microscopes. Since the distance is precisely defined, no statistics have to be carried out on an ensemble of emitter pairs. By tracing the distance determination back to the SI system of units, emitter pairs can be used as standard nanometer measurements (normal). In the case of magnetic dipolar coupling, the distance is determined, for example, by measuring the time of the electron spin resonance. The optical dipolar transition moments are also fixed and do not rotate. This enables not only the measurement of the intensity of the focus, but also the vectorial composition of the electric field. If the fluorophores are embedded in a crystal lattice, as is the case with nitrogen vacancies in diamond, the optical transition dipole moments can be derived from the crystal axes. Methods for the production of solid samples with individual fluorophores and fluorophore pairs are known, for example in the case of nitrogen vacancies by ion implantation through nanoscopic masks. Such methods are described, for example, in the following publication:
  • I. Jakobi, SA Momenzadeh, FF De Oliveira, J. Michl, F. Ziem, M. Schreck, P. Neumann, A. Denisenko, J. Wrachtrup, "Efficient creation of dipolar coupled nitrogen-vacancy spin qubits in diamond", Journal of Physics: Conference Series, vol. 752, no.1, 2016

Eine Ausführung ohne Masken ist beispielsweise in der folgenden Veröffentlichung beschrieben:

  • M. Haruyama, S. Onoda, T. Higuchi, W. Kada, A. Chiba, Y. Hirano, T. Teraji, R. Igarashi, S. Kawai, H. Kawarada, Y. Ishii, R. Fukuda, T. Tanii, J. Isoya, T. Ohshima, O. Hanaizumi, „Triple nitrogen-vacancy centre fabrication by C5N4Hn ion implantation“, Nature Communications, vol. 10, no. 1, p. 2664, 2019 . [Online]; http://www.nature.com/articles/s41467-019-10529-x
A version without masks is described, for example, in the following publication:
  • M. Haruyama, S. Onoda, T. Higuchi, W. Kada, A. Chiba, Y. Hirano, T. Teraji, R. Igarashi, S. Kawai, H. Kawarada, Y. Ishii, R. Fukuda, T. Tanii, J. Isoya, T. Ohshima, O. Hanaizumi, "Triple nitrogen-vacancy center fabrication by C5N4Hn ion implantation", Nature Communications, vol. 10, no. 1, p. 2664, 2019 . [On-line]; http://www.nature.com/articles/s41467-019-10529-x

Dabei können die Streuung, Tiefe und Konzentration der Fluorophore maßgeschneidert werden. Beispielsweise können sich entsprechende optische Zentren in einer einheitlichen Tiefe von etwa 30 nm mit einer Abweichung von beispielsweise +/- 1 nm befinden.The scattering, depth and concentration of the fluorophores can be tailored. For example, corresponding optical centers can be located at a uniform depth of approximately 30 nm with a deviation of, for example, +/- 1 nm.

Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann den nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen entnehmen. Dabei zeigen:

  • 1: eine Mikroskopanordnung,
  • 2: Details einer Probe,
  • 3: Details eines optischen Zentrums,
  • 4: einen Verlauf eines Anregungslichtstrahls,
  • 5: einen zu 4 korrespondierenden Verlauf eines elektrischen Feldes des Anregungsl ichtstrah ls,
  • 6: Verläufe von Anregungseffizienzen,
  • 7: eine Probe,
  • 8: eine Probe und deren Abbildung,
  • 9: eine Probe zur Vermessung des Anregungslichtstrahls,
  • 10: eine Intensitätsverteilung in einer Ebene,
  • 11: Schwerpunkte von Intensitäten in Abhängigkeit von einer Polarisation,
  • 12: polarisationsabhängige Intensitätsverteilungen,
  • 13: polarisationsabhängige Intensitätsverteilungen mit Astigmatismus,
  • 14: eine Legende für die vorhergehenden 10 bis 13.
The person skilled in the art will find further features and advantages in the exemplary embodiments described below with reference to the accompanying drawings. Show:
  • 1 : a microscope assembly,
  • 2 : Details of a sample,
  • 3 : Details of an optical center,
  • 4th : a course of an excitation light beam,
  • 5 : one too 4th Corresponding course of an electric field of the excitation light beam,
  • 6 : Curves of excitation efficiencies,
  • 7th : a sample,
  • 8th : a sample and its image,
  • 9 : a sample for measuring the excitation light beam,
  • 10 : an intensity distribution in a plane,
  • 11 : Centers of intensities depending on a polarization,
  • 12 : polarization-dependent intensity distributions,
  • 13 : polarization-dependent intensity distributions with astigmatism,
  • 14th : a legend for the previous ones 10 to 13 .

1 zeigt schematisch eine Mikroskopanordnung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Mikroskopanordnung 1 weist ein Mikroskop 5 sowie eine Probe 100 auf. Auf diese Bestandteile wird nachfolgend näher eingegangen werden. 1 shows schematically a microscope arrangement 1 according to an embodiment of the invention. The microscope arrangement 1 exhibits a microscope 5 as well as a sample 100 on. These components will be discussed in more detail below.

Das Mikroskop 5 weist eine Anregungsoptik 10 sowie eine Abfrageoptik 30 auf. Die Anregungsoptik 10 weist vorliegend eine Lichtquelle 12 in Form eines Lasers, einen Spiegel 14 und eine rein schematisch dargestellte Korrekturoptik 16 auf. Es sei verstanden, dass die beschriebenen Komponenten der Anregungsoptik hier lediglich beispielhaft genannt sind und dass auch völlig andere Komponenten verwendet werden können. Die Anregungsoptik 10 erzeugt einen Anregungslichtstrahl 20, welcher in noch zu beschreibender Weise auf die Probe 100 geleitet werden kann.The microscope 5 has excitation optics 10 as well as a query optics 30th on. The excitation optics 10 in the present case has a light source 12 in the form of a laser, a mirror 14th and corrective optics shown purely schematically 16 on. It should be understood that the described components of the excitation optics are only mentioned here as examples and that completely different components can also be used. The excitation optics 10 generates an excitation light beam 20th which in a manner to be described on the sample 100 can be directed.

Die Abfrageoptik 30 ist dazu ausgebildet, von der Probe 100 ausgesendetes Licht 40 aufzunehmen und zu verarbeiten. Hierzu weist die Abfrageoptik 30 beispielhaft zwei Linsen 32, 36 sowie eine dazwischen angeordnete Blende 34 auf. Die Blende 34 kann beispielsweise im Rahmen einer Konfokalmikroskopie zur Auswahl eines sichtbaren Bereichs verwendet werden.The query optics 30th is designed to take from the sample 100 emitted light 40 absorb and process. The query optics indicate this 30th for example two lenses 32 , 36 as well as a diaphragm arranged in between 34 on. The aperture 34 can for example be used in confocal microscopy to select a visible area.

Das Mikroskop 5 weist einen Detektor 60 auf. Auf diesen richtet die Abfrageoptik 30 das ausgesendete Licht 40.The microscope 5 has a detector 60 on. The query optics are aimed at this 30th the emitted light 40 .

Das Mikroskop 5 weist ferner eine elektronische Steuerungsvorrichtung 70 auf, welche dazu konfiguriert ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Hierauf wird weiter unten näher eingegangen werden. Die elektronische Steuerungsvorrichtung 70 ist wie gezeigt mit dem Detektor 60 verbunden und kann somit Signale empfangen, welche der Detektor 60 basierend auf erfasstem Licht 40 erzeugt.The microscope 5 further comprises an electronic control device 70 which is configured to carry out a method according to the invention. This will be discussed in more detail below. The electronic control device 70 is as shown with the detector 60 connected and can thus receive signals that the detector 60 based on detected light 40 generated.

Das Mikroskop 5 weist eine weitere Optik in Form einer Strahlteilerplatte 50 auf, welche optisch die Anregungsoptik 10 und die Abfrageoptik 30 voneinander trennt. Der Anregungslichtstrahl 20 wird von der Strahlteilerplatte 50 in Richtung auf die Probe 100 zu geleitet. Zwischen der Strahlteilerplatte 50 und der Probe 100 befindet sich noch eine rein schematisch dargestellte Probenoptik 80. Diese sorgt dafür, dass der Anregungslichtstrahl 20 wie gewünscht auf die Probe 100 trifft, wobei der Anregungslichtstrahl 20 vorliegend fokussiert wird.The microscope 5 has another optic in the form of a beam splitter plate 50 on which optically the excitation optics 10 and the query optics 30th separates from each other. The excitation light beam 20th is from the beam splitter plate 50 towards the sample 100 to headed. Between the beam splitter plate 50 and the sample 100 there is still a purely schematically illustrated sample optics 80 . This ensures that the excitation light beam 20th as desired to the test 100 hits, the excitation light beam 20th in the present case is focused.

Das Mikroskop 5 weist ferner einen Probenhalter 90 auf, in welchem die Probe 100 gelagert ist. Die Probe 100 kann somit in definierter Weise von dem Anregungslichtstrahl 20 beleuchtet werden. Es sei erwähnt, dass beispielsweise ein sample-scanner, ein beam-scanner oder ein objective-scanner als Ausführung verwendet werden können.The microscope 5 also has a sample holder 90 on in which the sample 100 is stored. The sample 100 can thus in a defined manner from the excitation light beam 20th be illuminated. It should be mentioned that, for example, a sample scanner, a beam scanner or an objective scanner can be used as an embodiment.

Tritt Licht von der Probe 100 aus, beispielsweise aufgrund von Emission oder aufgrund von Streuung des Anregungslichtstrahls 20, so entsteht dabei das bereits erwähnte ausgesendete Licht 40, welches ebenfalls von der Probenoptik 80 aufgenommen und durch die Strahlteilerplatte 50 in die Abfrageoptik 30 geleitet wird. Dort wird es wie bereits beschrieben dem Detektor 60 zugeführt. Es sei jedoch erwähnt, dass für Anregung und Abfrage grundsätzlich auch komplett unterschiedliche optische Pfade verwendet werden können.Light emerges from the sample 100 off, for example due to emission or due to scattering of the excitation light beam 20th This is how the already mentioned emitted light is created 40 , which is also from the sample optics 80 added and through the beam splitter plate 50 into the query optics 30th is directed. There it is attached to the detector as already described 60 fed. However, it should be mentioned that, in principle, completely different optical paths can also be used for excitation and query.

Bei der Probe 100 handelt es sich vorliegend um eine Probe in Form eines Festkörpers, in welchem mindestens ein optisches Zentrum vorhanden ist. Ein solches optisches Zentrum kann basierend auf dem Anregungslichtstrahl 20 ausgesendetes Licht 40 erzeugen. Dies kann durch Streuung oder auch durch Anregung eines Systems mit zumindest zwei Niveaus in einen angeregten Zustand und anschließender Relaxation unter Photonenaussendung in einen Grundzustand erfolgen. Möglichkeiten, die sich hieraus ergeben, werden weiter unten näher beschrieben werden.At the rehearsal 100 In the present case, it is a sample in the form of a solid body in which at least one optical center is present. Such an optical center can be based on the excitation light beam 20th emitted light 40 produce. This can be done by scattering or by exciting a system with at least two levels into an excited state and subsequent relaxation with emission of photons into a ground state. Possibilities that result from this are described in more detail below.

2 zeigt ein typisches Inneres einer Probe 100 vorliegend mit zwei optischen Zentren, nämlich einem ersten optischen Zentrum 110 und einem zweiten optischen Zentrum 120. Derartige optische Zentren 110, 120 können beispielsweise als Stickstofffehlstellen in Diamant als Festkörper realisiert werden. Ein Abstand d derartiger optischer Zentren 110, 120 beträgt beispielsweise zwischen 3 nm und 20 nm, in welchem sich die bereits weiter oben und nachfolgend beschriebenen Effekte besonders vorteilhaft beobachten und nutzen lassen. Auch andere Abstände sind jedoch möglich. 2 shows a typical interior of a sample 100 in the present case with two optical centers, namely a first optical center 110 and a second optical center 120 . Such optical centers 110 , 120 can for example be implemented as nitrogen vacancies in diamond as a solid. A distance d of such optical centers 110 , 120 is, for example, between 3 nm and 20 nm, in which the effects already described above and below are particularly evident can be observed and used advantageously. However, other distances are also possible.

Das erste optische Zentrum 110 weist eine erste Orientierung 115 auf. Das zweite optische Zentrum 120 weist eine zweite Orientierung 125 auf. Bei diesen Orientierungen 115, 125 handelt es sich um eine jeweilige Hauptsymmetrieachse, welche für die magnetische Kopplung relevant ist. Es ist bekannt, dass Stickstofffehlstellen in Diamant relativ zum Kristallgitter vier mögliche Orientierungen haben, welche jeweils einen Winkel von 54,7° zu einer (001)-Oberfläche haben. Unter anderem durch die gezeigten Orientierungen 115, 125 wird eine magnetische Kopplung zwischen den beiden optischen Zentren 110, 120 definiert, welche durch in 2 dargestellte Feldlinien schematisch gezeigt ist.The first optical center 110 has a first orientation 115 on. The second optical center 120 exhibits a second orientation 125 on. With these orientations 115 , 125 it is a respective main axis of symmetry which is relevant for the magnetic coupling. It is known that nitrogen vacancies in diamond have four possible orientations relative to the crystal lattice, each of which has an angle of 54.7 ° to a (001) surface. Among other things by the shown orientations 115 , 125 creates a magnetic coupling between the two optical centers 110 , 120 defines which by in 2 field lines shown is shown schematically.

Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, kann die magnetische Kopplung zwischen zwei optischen Zentren 110, 120 dazu verwendet werden, um deren Abstand unabhängig von optischen Messungen zu bestimmen. Anders ausgedrückt steht eine vom in 1 dargestellten Mikroskop 5 unabhängige Vorgehensweise zur Verfügung, um den Abstand d zwischen den beiden optischen Zentren 110, 120 sehr genau zu vermessen. As already mentioned above, the magnetic coupling between two optical centers 110 , 120 can be used to determine their distance independently of optical measurements. In other words, one of the in 1 illustrated microscope 5 independent procedure available to determine the distance d between the two optical centers 110 , 120 to be measured very precisely.

Hierzu kann insbesondere das weiter oben bereits beschriebene Verfahren verwendet werden. Eine räumliche Kalibrierung des Detektors 60 ist hierzu nicht erforderlich.In particular, the method already described above can be used for this purpose. A spatial calibration of the detector 60 is not required for this.

Die bereits weiter oben erwähnte Zeitgebung lässt sich, wie in den weiter oben bereits zitierten Referenzen beschrieben, Abständen zuordnen. Diese Zeitgebung kann dabei sehr genau gemessen werden und kann insbesondere auch auf ein Standardmaß des SI-Einheitensystems, nämlich die Sekunde, zurückgeführt werden. Beispielsweise kann hierzu eine Atomuhr verwendet werden, welche entsprechend geeicht ist. Auf diese Weise kann nicht nur der Abstand d, welcher in 2 dargestellt ist, sehr genau bestimmt werden, sondern dieser kann auch auf eine SI-Norm zurückgeführt werden. Hierbei kann auch ausgenutzt werden, dass der Abstand d grundsätzlich nur diskrete Werte haben kann, welche durch das Gitter vorgegeben sind.The timing already mentioned above can, as described in the references already cited above, be assigned to intervals. This timing can be measured very precisely and can in particular also be traced back to a standard measure of the SI system of units, namely the second. For example, an atomic clock that is appropriately calibrated can be used for this purpose. In this way, not only the distance d, which in 2 is shown, can be determined very precisely, but this can also be traced back to an SI standard. It can also be used here that the distance d can basically only have discrete values which are predetermined by the grid.

3 zeigt das erste optische Zentrum 110 in einer räumlichen Orientierung mit einem angegeben Koordinatensystem und dessen Achsen x, y und z. Dabei sind auch jeweilige Projektionen auf die (x, y)-Ebene, die (y, z)-Ebene und die (x, z)-Ebene gezeigt. Die Orientierung 115 ist ebenfalls eingezeichnet. 3 shows the first optical center 110 in a spatial orientation with a specified coordinate system and its axes x, y and z. The respective projections onto the (x, y) plane, the (y, z) plane and the (x, z) plane are also shown. The orientation 115 is also shown.

Wie mit Pfeilen, welche in einer Ebene quer zur Orientierung 115 liegen, angezeigt ist, weist das erste optische Zentrum 110, welches vorliegend in Form einer Stickstofffehlstelle ausgebildet ist, zwei optische Übergangsdipolmomente 117, 118 auf, welche in einer Ebene quer zur Orientierung 115 liegen. Die beiden optischen Übergangsdipolmomente 117, 118 sind als Vorzugsorientierungen zu verstehen, in welchen eine Anregung des ersten optischen Zentrums 110 bei parallelem elektrischem Feld eines Anregungslichts besonders effizient ist. Dies gilt im Übrigen gleichermaßen für die durch die beiden optischen Übergangsdipolmomente 117, 118 aufgespannte Ebene, wobei eine Drehung des elektrischen Felds in dieser Ebene keinen Effekt hat. Ist das elektrische Feld des Anregungslichts jedoch aus der durch die optischen Übergangsdipolmomente 117, 118 aufgespannten Ebene heraus verdreht, so bewirkt dies, dass die Anregung weniger effizient ist.As with arrows, which are in a plane perpendicular to the orientation 115 is indicated, has the first optical center 110 , which in the present case is in the form of a nitrogen vacancy, has two optical transition dipole moments 117 , 118 on which in a plane transverse to the orientation 115 lie. The two optical transition dipole moments 117 , 118 are to be understood as preferential orientations in which an excitation of the first optical center 110 is particularly efficient with a parallel electric field of an excitation light. Incidentally, this applies equally to the two optical transition dipole moments 117 , 118 spanned plane, a rotation of the electric field in this plane has no effect. If, however, the electric field of the excitation light is different from that caused by the optical transition dipole moments 117 , 118 If the spanned plane is twisted out, the result is that the excitation is less efficient.

Das eben beschriebene Phänomen kann zur Vermessung eines Anregungslichtstrahls 20 verwendet werden. Dies ist in 4 sowie den zugehörigen 5 und 6 näher dargestellt, wobei hier zur Vereinfachung nur Komponenten in einer Ebene dargestellt sind. Die z-Achse liegt dabei in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtstrahls 20. 4 zeigt den Anregungslichtstrahl 20 insbesondere vor und nach Austritt aus der Probenoptik 80, wobei der Anregungslichtstrahl 20 auf eine Fokusebene 25 fokussiert ist. Aufgrund der Fokussierung ändert sich das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20, wobei dieses vor der Probenoptik 80 quer zur Ausbreitungsrichtung ausgerichtet ist, wie durch die unten liegenden nicht ausgefüllten Pfeile angezeigt, sich dann jedoch verändert und lediglich in der Fokusebene 25 wieder quer zur Ausbreitungsrichtung steht. In einer Ebene 27 hinter der Fokusebene 25 ist das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20 vom Ort quer zur Ausbreitungsrichtung abhängig. Dies ist in 5 näher dargestellt, wobei die nicht ausgefüllten Pfeile das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20 in Abhängigkeit vom Ort zeigen.The phenomenon just described can be used to measure an excitation light beam 20th be used. This is in 4th as well as the associated 5 and 6 shown in more detail, with only components in one plane being shown here for the sake of simplicity. The z-axis lies in the direction of the propagation direction of the excitation light beam 20th . 4th shows the excitation light beam 20th especially before and after exiting the sample optics 80 , where the excitation light beam 20th on a focal plane 25th is focused. Due to the focusing, the electric field of the excitation light beam changes 20th , this in front of the sample optics 80 is oriented transversely to the direction of propagation, as indicated by the unfilled arrows below, but then changes and only in the focal plane 25th is again perpendicular to the direction of propagation. In one level 27 behind the focal plane 25th is the electric field of the excitation light beam 20th depends on the location across the direction of propagation. This is in 5 shown in more detail, with the arrows not filled in the electric field of the excitation light beam 20th show depending on the location.

In 4 und in 5 sind zwei Stellen eingezeichnet, an welchen sich beispielhaft optische Zentren befinden können. Diese können grundsätzlich vom Anregungslichtstrahl 20 angeregt werden. Die Positionen sind durch senkrechte gestrichelte Linien dargestellt. Außerdem sind sie durch die gezeigten Kreise dargestellt. Es sei erwähnt, dass ein Vorsehen zweier optischer Zentren äquivalent dazu ist, dass ein optisches Zentrum zwischen zwei Orten verschoben wird.In 4th and in 5 two points are drawn in, at which, for example, optical centers can be located. These can basically come from the excitation light beam 20th be stimulated. The positions are shown by vertical dashed lines. They are also represented by the circles shown. It should be mentioned that providing two optical centers is equivalent to shifting one optical center between two locations.

Zugehörige optische Übergangsdipolmomente der beiden optischen Zentren sind in 5 dargestellt, und zwar mit ausgefüllten Pfeilen. Wie zu sehen ist, sind die beiden optischen Übergangsdipolmomente gleich ausgerichtet. Das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20 ist jedoch an den beiden Orten deutlich unterschiedlich, wobei bei der linken Position das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20 nahezu quer zum optischen Übergangsdipolmoment steht, wohingegen das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20 bei der rechten Position nur einen kleinen Winkel zum optischen Übergangsdipolmoment einnimmt.Corresponding optical transition dipole moments of the two optical centers are in 5 shown with filled arrows. As can be seen, the two optical transition dipole moments are aligned in the same way. The electric field of the excitation light beam 20th is however clearly different in the two locations, whereby in the left position the electric field of the Excitation light beam 20th is almost perpendicular to the optical transition dipole moment, whereas the electric field of the excitation light beam 20th occupies only a small angle to the optical transition dipole moment in the right position.

Dies führt zu dem in 6 dargestellten Verlauf der Anregungseffizienz. Gäbe es das bereits beschriebene Phänomen der Polarisationsabhängigkeit bzw. Feldabhängigkeit der Anregung nicht, so hätte eine Anregungseffizienz den in 6 gestrichelt dargestellten Verlauf, welcher durch die Intensitätsverteilung des Anregungslichtstrahls 20 bestimmt wird. Aufgrund des eben beschriebenen Phänomens der Feldabhängigkeit hat die Anregungseffizienz jedoch den durchgezogen dargestellten Verlauf, wobei aufgrund der besseren Ausrichtung des Felds das rechte optische Zentrum wesentlich stärker angeregt wird als das linke optische Zentrum, trotz eines gleichen Abstands von einer durchgezogenen senkrechten Mittellinie. Dies ist auch durch den größeren Leuchtpunkt in 6 dargestellt.This leads to the in 6 shown curve of the excitation efficiency. If the already described phenomenon of polarization dependence or field dependence of the excitation did not exist, an excitation efficiency would have that in 6 The course shown in dashed lines, which is caused by the intensity distribution of the excitation light beam 20th is determined. Due to the phenomenon of field dependency just described, however, the excitation efficiency has the curve shown in solid lines, whereby due to the better alignment of the field, the right optical center is excited much more strongly than the left optical center, despite the same distance from a solid vertical center line. This is also due to the larger illuminated dot in 6 shown.

Das eben beschriebene Phänomen der Feldabhängigkeit der Anregung kann dazu verwendet werden, einen Anregungslichtstrahl 20 zu vermessen. Hierzu kann beispielsweise eine entsprechende Probe 100 mit einem solchen optischen Zentrum 110 in den Probenhalter 90 eingesetzt werden und gezielt verfahren werden. Dadurch können Intensitätsänderungen ermittelt werden, wobei ein Skalarprodukt zwischen optischem Übergangsdipolmoment des optischen Zentrums und elektrischem Feld des Anregungslichtstrahls 20 umso größer ist, je höher die an einem bestimmten Ort detektierte Helligkeit ist. Auch ist es möglich, die Polarisation des Anregungslichtstrahls 20 aktiv zu drehen, um entsprechende Helligkeitsänderungen zu detektieren.The phenomenon just described of the field dependence of the excitation can be used to generate an excitation light beam 20th to measure. A corresponding sample can be used for this purpose, for example 100 with such an optical center 110 in the sample holder 90 can be used and targeted. In this way, changes in intensity can be determined, with a scalar product between the optical transition dipole moment of the optical center and the electric field of the excitation light beam 20th The higher the brightness detected at a certain location, the greater it is. It is also possible to change the polarization of the excitation light beam 20th to actively rotate in order to detect corresponding changes in brightness.

7 zeigt eine beispielhafte Probe 100 in Form eines Festkörpers 105, in dem sich die bereits erwähnten optischen Zentren 110, 120 mit einem Abstand d voneinander befinden. Dabei sind typische elektrische Felder E und/oder magnetische Felder B eingezeichnet, welche hier beispielhaft durch die Probe 100 hindurchgehen und mit den beiden optischen Zentren 110, 120 interagieren können. 7th shows an exemplary sample 100 in the form of a solid 105 , in which the already mentioned optical centers 110 , 120 at a distance d from each other. There are typical electric fields E. and / or magnetic fields B. drawn, which are exemplified here by the sample 100 go through it and with the two optical centers 110 , 120 can interact.

8 zeigt die bereits in 7 dargestellte Probe 100 und ihre Wirkung auf den Detektor 60, wobei die dazwischen befindlichen Optiken 30, 50, 80 lediglich rein schematisch dargestellt sind. Die beiden optischen Zentren 110, 120 werden durch die dazwischenliegenden Optiken 30, 50, 80 auf den Detektor 60 als erster Punkt 62 und zweiter Punkt 64 abgebildet, welche auf dem Detektor 60 einen Abstand d' voneinander haben. Dieser Abstand d' kann leicht ermittelt werden und bezieht sich zunächst einmal auf das Koordinatensystem des Detektors 60. Beispielsweise kann der Abstand d' durch eine Anzahl von zwischen den beiden Punkten 62, 64 liegenden Pixeln oder durch einen Abstand, um welchen der Detektor 60 als Ganzes verfahren wurde, angegeben werden. 8th shows the already in 7th shown sample 100 and its effect on the detector 60 , with the optics in between 30th , 50 , 80 are only shown purely schematically. The two optical centers 110 , 120 thanks to the optics in between 30th , 50 , 80 on the detector 60 as the first point 62 and second point 64 mapped which on the detector 60 have a distance d 'from each other. This distance d 'can easily be determined and initially relates to the coordinate system of the detector 60 . For example, the distance d 'can be a number of between the two points 62 , 64 lying pixels or by a distance by which the detector 60 proceeded as a whole.

Da der Abstand d der beiden optischen Zentren 110, 120 in der Probe wie bereits weiter oben erwähnt sehr genau unabhängig von einer räumlichen Kalibrierung des Detektors 60 gemessen werden kann, ist es nun möglich, den Abstand d' im Detektor 60 zu kalibrieren, da davon ausgegangen werden kann, dass der im Koordinatensystem des Detektors 60 gemessene Abstand d' dem Abstand d in der Probe 100 entspricht. Die Probe 100 kann somit als Referenz für den gemessenen Abstand verwendet werden. Wird nachfolgend eine andere Probe eingesetzt, in welcher ein unbekannter Abstand vermessen werden soll, so kann diese Kalibrierung dazu verwendet werden, den Abstand in der anderen Probe zu bestimmen. Als Vorteil hat sich dabei insbesondere herausgestellt, dass die Probe 100 mit dem Festkörper 105 sehr photostabil ist, über lange Zeiträume stabil bleibt und einfach zu handhaben ist. Sie bedarf keiner besonderen Lagerung und kann auch über weite Strecken transportiert werden, ohne ihre Eigenschaften zu verändern. Dies ermöglicht einen Vergleich unterschiedlicher Mikroskope 5, welche an verschiedenen Orten stehen, und ermöglicht auch eine Kontrolle beispielsweise eines einzigen Mikroskops 5, welches zu verschiedenen Zeitpunkten mit der gleichen Probe 100 kalibriert werden kann. Dabei können Abweichungen, welche im Laufe der Zeit beispielsweise aufgrund von Änderungen an den Komponenten des Mikroskops 5 auftreten können, erkannt werden. Beispielsweise kann auch vor jeweils durchzuführenden Messungen an anderen Proben eine jeweilige Kalibrierung mittels der Probe 100 durchgeführt werden, so dass ein jeweiliger Abstand in der anderen Probe sehr genau bestimmt werden kann. Beispielsweise können damit auch Rotationen erkannt werden, welche beispielsweise aufgrund von langfristigen Veränderungen des Probenhalters 90 auftreten können.Since the distance d between the two optical centers 110 , 120 in the sample, as already mentioned above, very precisely independent of a spatial calibration of the detector 60 can be measured, it is now possible to determine the distance d 'in the detector 60 to be calibrated because it can be assumed that the coordinate system of the detector 60 measured distance d 'is the distance d in the sample 100 corresponds. The sample 100 can thus be used as a reference for the measured distance. If another sample is subsequently used in which an unknown distance is to be measured, this calibration can be used to determine the distance in the other sample. It has been found to be particularly advantageous that the sample 100 with the solid 105 is very photostable, remains stable over long periods of time and is easy to handle. It does not require any special storage and can also be transported over long distances without changing its properties. This enables a comparison of different microscopes 5 , which are in different places, and also enables a control of a single microscope, for example 5 which at different times with the same sample 100 can be calibrated. There may be deviations over time, for example due to changes in the components of the microscope 5 can occur. For example, a respective calibration by means of the sample can also be performed on other samples before measurements to be carried out 100 be carried out so that a respective distance in the other sample can be determined very precisely. For example, it can also be used to detect rotations, which are due to long-term changes in the sample holder, for example 90 may occur.

In 9 ist separat dargestellt, wie eine Probe 100 zur Vermessung des Anregungslichtstrahls 20 oder zur Ermittlung einer Sammlungseffizienz verwendet werden kann. Der Anregungslichtstrahl 20 wird dabei durch die bereits erwähnten Optiken 10, 50, 80, welche in 9 lediglich schematisch dargestellt sind, auf die Probe 100 fokussiert und hat somit einen bereits in den 4, 5 und 6 dargestellten ortsabhängigen Verlauf seines elektrischen Felds. Das elektrische Feld ist dabei schematisch mittels Pfeilen 22 dargestellt.In 9 is shown separately as a sample 100 for measuring the excitation light beam 20th or can be used to determine a collection efficiency. The excitation light beam 20th is done by the optics already mentioned 10 , 50 , 80 , what a 9 are only shown schematically on the sample 100 focused and thus already has one in the 4th , 5 and 6 depicted location-dependent course of its electric field. The electric field is shown schematically by means of arrows 22nd shown.

Bei der in 9 gezeigten Ausführung mit lediglich einem optischen Zentrum 110 oder auch bei einer Probe 100 mit mehreren optischen Zentren ist es möglich, eine Sammlungseffizienz des Mikroskops 5 zu kalibrieren. Hierzu kann ein Anregungslichtstrahl 20 mit definierter Intensität verwendet werden, welcher somit auch zu einer definierten Emission des optischen Zentrums 110 führt. Es kann insbesondere ein Anregungslichtstrahl 20 mit einer Intensität verwendet werden, welche so groß ist, dass das erste optische Zentrum 110 mit seiner maximalen Photonenemissionsrate emittiert. Diese ist für typische optische Zentren 110 wie beispielsweise Stickstofffehlstellen in Diamant bekannt. Mittels des Detektors 60 kann dann ermittelt werden, wie viele Photonen beim Detektor 60 tatsächlich ankommen. Aus einem Quotienten der in einem bestimmten Zeitintervall tatsächlich ankommenden Photonen geteilt durch die Anzahl der in diesem Zeitintervall emittierten Photonen kann dann die Sammlungseffizienz des Mikroskops 5 ermittelt werden. Diese kann beispielsweise bei einigen Prozent, jedoch auch darunter oder darüber liegen.At the in 9 shown embodiment with only one optical center 110 or even with a rehearsal 100 with multiple optical centers it is possible to increase the collection efficiency of the microscope 5 to calibrate. An excitation light beam can be used for this purpose 20th used with a defined intensity which thus also lead to a defined emission of the optical center 110 leads. In particular, it can be an excitation light beam 20th can be used with an intensity so great that the first optical center 110 emitted at its maximum photon emission rate. This is for typical optical centers 110 known as nitrogen vacancies in diamond. Using the detector 60 can then be determined how many photons at the detector 60 actually arrive. The collection efficiency of the microscope can then be calculated from a quotient of the photons actually arriving in a certain time interval divided by the number of photons emitted in this time interval 5 be determined. This can be, for example, a few percent, but also below or above.

Das in der Probe 100 enthaltene optische Zentrum 110 weist ein bereits beschriebenes optisches Übergangsdipolmoment 117 auf, wobei die Anregung umso effizienter ist, je paralleler das elektrische Feld des Anregungslichtstrahls 20 und das optische Übergangsdipolmoment 117 sind. Dies ermöglicht ein Vermessen des Anregungslichtstrahls 20, beispielsweise durch Verfahren der Probe 100 im Probenhalter 90.That in the rehearsal 100 contained optical center 110 exhibits an optical transition dipole moment already described 117 The more parallel the electric field of the excitation light beam, the more efficient the excitation 20th and the optical transition dipole moment 117 are. This enables the excitation light beam to be measured 20th , for example by moving the sample 100 in the sample holder 90 .

Durch ein solches räumliches Verfahren kann beispielsweise eine in 10 dargestellte Intensitätsverteilung ermittelt werden. Dabei wird eine Polarisation von 90° des Anregungslichtstrahls 20 verwendet, welche einer Polarisation parallel zur y-Achse entspricht. Das optische Zentrum befindet sich dabei in einer Ebene 200 nm hinter einer Fokusebene des Anregungslichtstrahls.Such a spatial method can, for example, allow an in 10 intensity distribution shown can be determined. The excitation light beam is polarized at 90 ° 20th used, which corresponds to a polarization parallel to the y-axis. The optical center is located in a plane 200 nm behind a focal plane of the excitation light beam.

Ein Schwerpunkt der gemessenen Helligkeit befindet sich dabei auf der x-Achse, jedoch etwa 66 nm oberhalb der y-Achse. Als Nullpunkt wird dabei die bereits in 4 eingezeichnete mittige Linie in Richtung der Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtstrahls 20 verwendet. Die umgebenden Linien zeigen an, an welchen Stellen die gemessene Intensität, welche anzeigend ist für die Anregungsstärke, um jeweils zehn Prozentpunkte abfällt. Die unmittelbar umgebende Linie zeigt somit eine Intensität von 90 % der maximalen Intensität bzw. der Intensität am Schwerpunkt an, die mit „0.8“ bezeichnete Linie zeigt eine Intensität von 80 % der maximalen Intensität bzw. der Intensität am Schwerpunkt an, und so weiter. 10 zeigt somit, dass ein Maximum bzw. ein Schwerpunkt der Anregungseffizienz außerhalb eines eigentlichen Nullpunkts, bei welchem die höchste Anregungseffizienz ohne Berücksichtigung der Polarisationsabhängigkeit bzw. Feldabhängigkeit zu erwarten wäre, auftritt. Dieses Phänomen kann dazu verwendet werden, den Anregungslichtstrahl 20 wie bereits erwähnt zu vermessen.A focus of the measured brightness is on the x-axis, but about 66 nm above the y-axis. The already in 4th drawn central line in the direction of the direction of propagation of the excitation light beam 20th used. The surrounding lines indicate at which points the measured intensity, which is indicative of the excitation strength, drops by ten percentage points. The immediately surrounding line thus shows an intensity of 90% of the maximum intensity or the intensity at the center of gravity, the line labeled “0.8” shows an intensity of 80% of the maximum intensity or the intensity at the center of gravity, and so on. 10 thus shows that a maximum or a focus of the excitation efficiency occurs outside an actual zero point at which the highest excitation efficiency would be expected without taking into account the polarization dependence or field dependence. This phenomenon can be used to generate the excitation light beam 20th as already mentioned to be measured.

11 zeigt, wie der in 10 dargestellte Schwerpunkt der Anregung sich in Abhängigkeit von einer Ausgangspolarisation des Anregungslichtstrahls 20 verhält, wobei auch hier eine Ebene 200 nm hinter einer Fokusebene des Anregungslichtstrahls verwendet wird. Hierzu sei auf die in 14 dargestellte Legende verwiesen, welche für alle 10 bis 13 gilt. Bei einer Polarisation von 0°, welche einer Polarisation parallel zur x-Achse entspricht, ist das Anregungsmaximum sehr nah am Nullpunkt, also etwa auf einem Schnittpunkt von y-Achse und x-Achse gelegen. Bei einer Polarisation von +45° liegt das Anregungsmaximum bei einem Wert von etwa (+20 nm, +18 nm). Bei einer Polarisation von -45° liegt das Anregungsmaximum bei einem Wert von etwa (-20 nm, + 18 nm). Die durchgezogene Linie zeigt den elliptischen Verlauf, des Anregungsmaximums bei kontinuierlicher Drehung der Polarisation. Das Anregungsmaximum, welches beispielsweise durch Verfahren der Probe 100 im Probenhalter 90 ermittelt werden kann, ist somit abhängig von der Polarisation des Anregungslichtstrahls 20. Dies kann zum Vermessen des Anregungslichtstrahls 20 als Kalibrierung des Mikroskops 5 verwendet werden. 11 shows how the in 10 The focus of the excitation shown depends on an output polarization of the excitation light beam 20th behaves, a plane 200 nm behind a focal plane of the excitation light beam is also used here. Please refer to the in 14th illustrated legend, which one applies to all 10 to 13 applies. With a polarization of 0 °, which corresponds to a polarization parallel to the x-axis, the excitation maximum is very close to the zero point, that is to say at an intersection of the y-axis and the x-axis. With a polarization of + 45 °, the excitation maximum is around (+20 nm, +18 nm). With a polarization of -45 °, the maximum excitation is around (-20 nm, + 18 nm). The solid line shows the elliptical course, the excitation maximum with continuous rotation of the polarization. The excitation maximum, which, for example, by moving the sample 100 in the sample holder 90 can be determined, is thus dependent on the polarization of the excitation light beam 20th . This can be used to measure the excitation light beam 20th than calibration of the microscope 5 be used.

12 zeigt eine dreidimensionale Abhängigkeit der Intensitätsmaxima, wobei die Ausbreitungsrichtung des Anregungslichtstrahls 20 als z-Koordinate dargestellt ist und der Nullpunkt in z-Richtung in die Fokusebene 25 gelegt wird, welche bereits in 4 dargestellt ist. Es ist des Weiteren eine Ebene E eingezeichnet, welche der in den 10 und 11 dargestellten (x, y)-Ebene entspricht. 12 shows a three-dimensional dependence of the intensity maxima, with the direction of propagation of the excitation light beam 20th is shown as the z coordinate and the zero point in the z direction in the focal plane 25th which is already in 4th is shown. It is also a level E. plotted which of the 10 and 11 (x, y) -plane shown corresponds.

In 12 sind jeweilige Verläufe von Anregungsmaxima für unterschiedliche Polarisationen dargestellt. Bezüglich der Polarisationen sei dabei auf 14 verwiesen. Beispielsweise ist dabei zu erkennen, dass für den Fall einer Polarisation von 0° sich das Anregungsmaximum nicht mit der z-Koordinate verändert. Für andere Polarisationen verändert sich jedoch das Anregungsmaximum mit der z-Koordinate entlang jeweiliger Geraden oder zumindest entlang von Strecken, welche in erster Ordnung Geraden sind. Dieses Verhalten kann zum Vermessen des Anregungslichtstrahls 20 verwendet werden.In 12 respective curves of excitation maxima for different polarizations are shown. Regarding the polarizations, be on 14th referenced. For example, it can be seen that in the case of a polarization of 0 °, the excitation maximum does not change with the z coordinate. For other polarizations, however, the excitation maximum changes with the z coordinate along respective straight lines or at least along lines that are straight lines in the first order. This behavior can be used to measure the excitation light beam 20th be used.

13 zeigt den Verlauf entsprechender Anregungsmaxima für den Fall, dass in der Anregungsoptik 10 ein Astigmatismus vorhanden ist. Dabei sind beispielhaft eine erste Fokusebene FE1 und eine zweite Fokusebene FE2 gezeigt. Bei diesen beiden Fokusebenen FE1, FE2 sind die Anregungsmaxima in Abhängigkeit der Polarisation nicht mehr wie beispielsweise in 11 dargestellt entlang einer Ellipse verlaufend, sondern entlang einer jeweiligen Geraden. Diese Geraden können vermessen werden, wobei ein Schnittpunkt dieser Geraden eine tatsächliche Probenposition angeben kann. Dies kann zur Vermessung des Anregungslichtstrahls 20 und insbesondere auch zum Erkennen etwaiger Astigmatismen in der Anregungsoptik 10 oder in anderen Optiken des Mikroskops 5 verwendet werden. Auch hierdurch ist eine Kalibrierung des Mikroskops 5 möglich. 13 shows the course of corresponding excitation maxima for the case that in the excitation optics 10 astigmatism is present. A first focus level is an example here FE1 and a second plane of focus FE2 shown. With these two levels of focus FE1 , FE2 the excitation maxima are no longer as a function of the polarization, for example in 11 shown running along an ellipse, but along a respective straight line. These straight lines can be measured, and an intersection of these straight lines can indicate an actual sample position. This can be used to measure the excitation light beam 20th and in particular for the detection of any astigmatisms in the excitation optics 10 or in other optics of the microscope 5 be used. This also enables calibration of the microscope 5 possible.

Insgesamt hat es sich gezeigt, dass die Verwendung von Proben 100 in Form eines Festkörpers 105 mit optischen Zentren 110, 120 unterschiedliche Kalibrierungen eines Mikroskops 5 ermöglicht, wobei eine solche Kalibrierung im Vergleich zu Kalibrierungen mit bekannten Kalibrierproben wie beispielsweise DNA-Molekülen erhebliche Vorteile mit sich bringt. Insbesondere sind hier die Langlebigkeit der Probe 100, deren einfache Handhabung und Lagerung, eine hohe Resistenz gegenüber Ausbleichen, eine leichte Transportierbarkeit und ein langzeitstabiler Abstand zwischen optischen Zentren 110, 120 zu nennen.Overall, it has been shown that the use of samples 100 in the form of a solid 105 with optical centers 110 , 120 different calibrations of a microscope 5 enabled, such a calibration in comparison to calibrations with known calibration samples such as DNA molecules brings with it considerable advantages. In particular here are the longevity of the sample 100 , their easy handling and storage, high resistance to fading, easy portability and a long-term stable distance between optical centers 110 , 120 to call.

Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.Mentioned steps of the method according to the invention can be carried out in the order given. However, they can also be carried out in a different order if this is technically reasonable. The method according to the invention can, in one of its embodiments, for example with a specific combination of steps, be carried out in such a way that no further steps are carried out. In principle, however, further steps can also be carried out, including those which are not mentioned.

Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.It should be pointed out that features can be described in combination in the claims and in the description, for example to facilitate understanding, although they can also be used separately from one another. The person skilled in the art recognizes that such features can also be combined with other features or feature combinations independently of one another.

Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.References back in subclaims can identify preferred combinations of the respective features, but do not exclude other combinations of features.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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Claims (28)

Verfahren zum Kalibrieren eines Mikroskops (5), - wobei das Mikroskop (5) folgendes aufweist: - einen Probenhalter (90) zur Aufnahme einer Probe (100), - eine Anregungsoptik (10) zum Richten eines Anregungslichtstrahls (20) auf die Probe (100), - eine Abfrageoptik (30) zum Aufnehmen von durch die Probe (100) ausgesendetem Licht (40), - einen Detektor (60) zum Erfassen von durch die Abfrageoptik (30) aufgenommenem Licht, - wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Einsetzen eines Festkörpers (105) als Probe (100) in den Probenhalter (90), wobei der Festkörper (105) zumindest ein erstes optisches Zentrum (110) aufweist, welches nach Anregung Licht aussendet, - Richten eines Anregungslichtstrahls (20) auf die Probe (100), so dass das erste optische Zentrum (110) angeregt wird, - Erfassen des von der Probe (100) ausgesendeten Lichts (40) mittels der Abfrageoptik (30) und des Detektors (60), - Kalibrieren des Mikroskops (5) basierend auf dem vom Detektor (60) erfassten Licht.Procedure for calibrating a microscope (5), - The microscope (5) having the following: - a sample holder (90) for receiving a sample (100), - excitation optics (10) for directing an excitation light beam (20) onto the sample (100), - an interrogation optics (30) for receiving light (40) emitted by the sample (100), - A detector (60) for detecting light picked up by the interrogation optics (30), - wherein the method comprises the following steps: - Insertion of a solid body (105) as a sample (100) in the sample holder (90), the solid body (105) having at least one first optical center (110) which emits light after excitation, - Directing an excitation light beam (20) onto the sample (100) so that the first optical center (110) is excited, - Detecting the light (40) emitted by the sample (100) by means of the interrogation optics (30) and the detector (60), - Calibrating the microscope (5) based on the light detected by the detector (60). Verfahren nach Anspruch 1, - wobei die Probe (100) zumindest ein zweites optisches Zentrum (120) aufweist.Procedure according to Claim 1 - wherein the sample (100) has at least one second optical center (120). Verfahren nach Anspruch 2, - wobei das erste optische Zentrum (110) und das zweite optische Zentrum (120) einen Abstand (d) von mindestens einem Gitterplatz oder von mindestens 1 nm oder von mindestens 3 nm voneinander haben; und/oder - wobei das erste optische Zentrum (110) und das zweite optische Zentrum (120) einen Abstand (d) von höchstens 100 nm oder von höchstens 50 nm oder von höchstens 20 nm voneinander haben.Procedure according to Claim 2 - wherein the first optical center (110) and the second optical center (120) are at a distance (d) of at least one grid position or of at least 1 nm or of at least 3 nm from one another; and / or - wherein the first optical center (110) and the second optical center (120) have a distance (d) of at most 100 nm or of at most 50 nm or of at most 20 nm from one another. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als optische Zentren (110, 120) spinaktive optische Zentren, magnetisch koppelbare optische Zentren oder anderweitig koppelbare optische Zentren verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, - The optical centers (110, 120) used are spin-active optical centers, magnetically couplable optical centers or otherwise couplable optical centers. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als Festkörper (105) Diamant oder Siliziumcarbid verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, - Diamond or silicon carbide being used as the solid body (105). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als optische Zentren (110, 120) Stickstofffehlstellen verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, - With nitrogen vacancies being used as optical centers (110, 120). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Mikroskop (5) ein Konfokalmikroskop, ein Nahfeldmikroskop, ein Streumikroskop oder ein Weitfeldmikroskop ist.Method according to one of the preceding claims, - The microscope (5) being a confocal microscope, a near-field microscope, a scattering microscope or a wide-field microscope. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Kalibrieren ein Kalibrieren eines Abstands (d, d') ist, und - wobei die Probe (100) zumindest ein zweites optisches Zentrum (120) aufweist.Method according to one of the preceding claims, - wherein the calibration is a calibration of a distance (d, d '), and - wherein the sample (100) has at least one second optical center (120). Verfahren nach Anspruch 8, - welches einen Schritt des Bestimmens eines Abstands (d) zwischen dem ersten optischen Zentrum (110) und dem zweiten optischen Zentrum (120) mittels einer elektromagnetischen Kopplungsmessung beinhaltet.Procedure according to Claim 8 - which includes a step of determining a distance (d) between the first optical center (110) and the second optical center (120) by means of an electromagnetic coupling measurement. Verfahren nach Anspruch 9, - wobei bei der Kopplungsmessung eine auf ein Standartmaß zurückgeführte Zeitgebung von Pulsen verwendet wird.Procedure according to Claim 9 - With the coupling measurement using a timing of pulses traced back to a standard measure. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, - wobei ein mittels des Detektors (60) ermittelter Abstand (d') kalibriert wird.Method according to one of the Claims 8 to 10 - wherein a distance (d ') determined by means of the detector (60) is calibrated. Verfahren nach Anspruch 11, - wobei der Abstand (d, d') mittels emitterselektiver Aktivierung der optischen Zentren (110, 120) und/oder mittels Superresolutionsmethoden, Korrelationsauswertung oder Kreuzkorrelationsauswertung von durch den Detektor (60) basierend auf dem erfassten Licht aufgenommenen Signalen ermittelt wird.Procedure according to Claim 11 - The distance (d, d ') being determined by means of emitter-selective activation of the optical centers (110, 120) and / or by means of super resolution methods, correlation evaluation or cross-correlation evaluation of signals recorded by the detector (60) based on the detected light. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, - wobei eine Mehrzahl von Abständen (d, d') zwischen dem ersten optischen Zentrum (110) und dem zweiten optischen Zentrum (120) zu unterschiedlichen Zeitpunkten jeweils vektoriell ermittelt werden, und - wobei aus den vektoriellen Abständen (d, d') eine Rotation ermittelt wird.Method according to one of the Claims 8 to 12 - wherein a plurality of distances (d, d ') between the first optical center (110) and the second optical center (120) are determined vectorially at different times, and - where from the vectorial distances (d, d') a rotation is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - wobei das Kalibrieren ein Vermessen des Anregungslichtstrahls (20) ist, und - wobei das erste optische Zentrum (110) zumindest ein optisches Übergangsdipolmoment (117, 118) aufweist.Method according to one of the Claims 1 to 7th - wherein the calibration is a measurement of the excitation light beam (20), and - wherein the first optical center (110) has at least one optical transition dipole moment (117, 118). Verfahren nach Anspruch 14, - wobei das erste optische Zentrum (110) relativ zum Anregungslichtstrahl (20) verfahren wird und dabei Änderungen des ausgesendeten Lichts (40) ermittelt werden.Procedure according to Claim 14 - wherein the first optical center (110) is moved relative to the excitation light beam (20) and changes in the emitted light (40) are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, - wobei der Anregungslichtstrahl (20) polarisiert ist, und - wobei während des Kalibrierens die Polarisation relativ zur Probe (100) gedreht und die Probe (100) relativ zum Anregungslichtstrahl (20) örtlich unverändert belassen wird, um polarisationsabhängige Änderungen des ausgesendeten Lichts (40) zu ermitteln.Method according to one of the Claims 14 or 15th , - wherein the excitation light beam (20) is polarized, and - during the calibration, the polarization is rotated relative to the sample (100) and the sample (100) is left locally unchanged relative to the excitation light beam (20) in order to avoid polarization-dependent changes in the emitted light (40) to determine. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, - wobei der Anregungslichtstrahl (20) polarisiert ist, - wobei während des Kalibrierens die Polarisation relativ zur Probe (100) unverändert belassen wird und die Probe (100) relativ zum Anregungslichtstrahl (20) örtlich unverändert belassen wird, wobei das ausgesendete Licht (40) jeweils zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wird, und - wobei Änderungen des ausgesendeten Lichts (40) zwischen den Zeitpunkten ermittelt werden.Method according to one of the Claims 14 to 16 - the excitation light beam (20) being polarized, - the polarization relative to the sample (100) being left unchanged during the calibration and the sample (100) being left locally unchanged relative to the excitation light beam (20), the emitted light (40 ) is determined at different times, and - changes in the emitted light (40) between the times are determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, - wobei der Anregungslichtstrahl (20) polarisiert ist, und - wobei während des Kalibrierens die Polarisation gedreht und das erste optische Zentrum (110) relativ zum Anregungslichtstrahl (20) verfahren wird, um polarisationsabhängige Intensitätsmaxima zu ermitteln.Method according to one of the Claims 14 to 17th - wherein the excitation light beam (20) is polarized, and - wherein the polarization is rotated during calibration and the first optical center (110) is moved relative to the excitation light beam (20) in order to determine polarization-dependent intensity maxima. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, - wobei das Kalibrieren ein Kalibrieren einer absoluten Intensität oder einer Sammlungseffizienz des Mikroskops (5) ist.Method according to one of the Claims 1 to 7th - wherein the calibration is a calibration of an absolute intensity or a collection efficiency of the microscope (5). Verfahren nach Anspruch 19, - wobei der Anregungslichtstrahl (20) eine Intensität aufweist, mit welcher das erste optische Zentrum (110) mit einer Rate entsprechend dem Inversen der Lebensdauer seines angeregten Zustands emittiert und/oder mit maximaler Photonenemissionsrate emittiert.Procedure according to Claim 19 - wherein the excitation light beam (20) has an intensity with which the first optical center (110) emits at a rate corresponding to the inverse of the lifetime of its excited state and / or emits at the maximum photon emission rate. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, - wobei der Anregungslichtstrahl (20) bei mehrfacher Durchführung des Verfahrens zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder mit unterschiedlichen Mikroskopen (5) und/oder mit unterschiedlichen Teilen von Mikroskopen (5) und/oder mit unterschiedlichen Konfigurationen und/oder mit unterschiedlichen Auswerteverfahren, jedoch mit gleicher Probe (100), eine jeweils gleiche Intensität aufweist.Method according to one of the Claims 19 or 20th - The excitation light beam (20) when the method is carried out several times at different times and / or with different microscopes (5) and / or with different parts of microscopes (5) and / or with different configurations and / or with different evaluation methods, however with the same sample (100), each has the same intensity. Verfahren nach Anspruch 21, - wobei die Sammlungseffizienz des Mikroskops (5) als Quotient aus erfassten Photonen in einem Zeitintervall geteilt durch emittierte Photonen in dem Zeitintervall berechnet wird.Procedure according to Claim 21 - The collection efficiency of the microscope (5) being calculated as the quotient of the photons captured in a time interval divided by the photons emitted in the time interval. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - welches mittels einer Mehrzahl von Mikroskopen (5) unter Verwendung derselben Probe (100) durchgeführt wird, - wobei Ergebnisse beim jeweiligen Kalibrieren der Mikroskope (5) miteinander verglichen werden.Method according to one of the preceding claims, - which is carried out by means of a plurality of microscopes (5) using the same sample (100), - The results of the respective calibration of the microscopes (5) are compared with one another. Mikroskopanordnung (1), welche folgendes aufweist: - ein Mikroskop (5), aufweisend - einen Probenhalter (90) zur Aufnahme einer Probe (100), - eine Anregungsoptik (10) zum Richten eines Anregungslichtstrahls (20) auf die Probe (100), - eine Abfrageoptik (30) zum Aufnehmen von durch die Probe (100) ausgesendetem Licht (40), - einen Detektor (60) zum Erfassen von durch die Abfrageoptik (30) aufgenommenem Licht, - eine elektronische Steuerungsvorrichtung (70), welche dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen, und - eine Probe (100) in Form eines Festkörpers (105), wobei der Festkörper (105) zumindest ein erstes optisches Zentrum (110) aufweist, welches nach Anregung Licht aussendet.Microscope arrangement (1), which has the following: - having a microscope (5) - a sample holder (90) for receiving a sample (100), - excitation optics (10) for directing an excitation light beam (20) onto the sample (100), - an interrogation optics (30) for receiving light (40) emitted by the sample (100), - A detector (60) for detecting light picked up by the interrogation optics (30), - An electronic control device (70) which is configured to carry out a method according to one of the preceding claims, and - A sample (100) in the form of a solid body (105), the solid body (105) having at least one first optical center (110) which emits light after being excited. Mikroskopanordnung (1) nach Anspruch 24, - wobei die Probe (100) in den Probenhalter (90) eingesetzt ist.Microscope assembly (1) Claim 24 - wherein the sample (100) is inserted into the sample holder (90). Verwendung einer Probe (100) zum Kalibrieren eines Mikroskops (5), - wobei die Probe (100) ein Festkörper (105) mit zumindest einem ersten optischen Zentrum (110) ist, welches nach Anregung Licht aussendet.Using a sample (100) to calibrate a microscope (5), - The sample (100) being a solid body (105) with at least one first optical center (110) which emits light after being excited. Verwendung nach Anspruch 26, - wobei das Mikroskop (5) folgendes aufweist: - einen Probenhalter (90) zur Aufnahme einer Probe (100), - eine Anregungsoptik (10) zum Richten eines Anregungslichtstrahls (20) auf die Probe (100), - eine Abfrageoptik (30) zum Aufnehmen von durch die Probe (100) ausgesendetem Licht (40), - einen Detektor (60) zum Erfassen von durch die Abfrageoptik (30) aufgenommenem Licht; und/oder - wobei die Probe (100) zumindest ein zweites optisches Zentrum (120) aufweist; und/oder - wobei das erste optische Zentrum (110) und das zweite optische Zentrum (120) einen Abstand (d) von mindestens einem Gitterplatz oder von mindestens 1 nm oder von mindestens 3 nm voneinander haben; und/oder - wobei das erste optische Zentrum (110) und das zweite optische Zentrum (120) einen Abstand (d) von höchstens 100 nm oder von höchstens 50 nm oder von höchstens 20 nm voneinander haben; und/oder - wobei als optische Zentren (110, 120) spinaktive optische Zentren, magnetisch koppelbare optische Zentren oder anderweitig koppelbare optische Zentren verwendet werden; und/oder - wobei als Festkörper (105) Diamant oder Siliziumcarbid verwendet wird; und/oder - wobei als optische Zentren (110, 120) Stickstofffehlstellen verwendet werden.Use after Claim 26 - the microscope (5) having the following: - a sample holder (90) for holding a sample (100), - excitation optics (10) for directing an excitation light beam (20) onto the sample (100), - interrogation optics (30) ) for receiving light (40) emitted by the sample (100), - a detector (60) for detecting light received by the interrogation optics (30); and / or - wherein the sample (100) has at least one second optical center (120); and / or - wherein the first optical center (110) and the second optical center (120) are at a distance (d) of at least one grid position or of at least 1 nm or of at least 3 nm from one another; and / or - wherein the first optical center (110) and the second optical center (120) have a distance (d) of at most 100 nm or of at most 50 nm or of at most 20 nm from one another; and / or - wherein the optical centers (110, 120) are spin-active optical centers, magnetically coupled optical centers Centers or optical centers that can be coupled in some other way are used; and / or - diamond or silicon carbide being used as the solid body (105); and / or - nitrogen vacancies being used as optical centers (110, 120). Verwendung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, - wobei das Kalibrieren nach einem der Ansprüche 1 bis 23 erfolgt; und/oder - welche mittels einer Mikroskopanordnung (1) nach einem der Ansprüche 24 oder 25 erfolgt.Use after one of the Claims 26 or 27 , - the calibration according to one of the Claims 1 to 23 he follows; and / or - which by means of a microscope arrangement (1) according to one of the Claims 24 or 25th he follows.
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