DE102019120960A1 - Method for calibrating a microscope, microscope arrangement and use - Google Patents
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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.
- - 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.
- - 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.
- - 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 -
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 -
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
- 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 -
HS Knowles, DM Kara, M. Atatüre, “Demonstration of a coherent electronic spin cluster in diamond”, Physical Review Letters, vol. 117, no.10, Sep. 2016 -
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
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.
- - 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:
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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)
-
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.
- - 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.
- - 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. Kalibrierung des genauen Abstands zweier Fluorophore, beispielsweise für die Konfokalmikroskopie oder für Konfokalmikroskope,
- 2. Verwendung zweier Fluorophore als rückführbares Standardmaß (Normal) für Nanometerabstände,
- 3. Kalibrierung der genauen Verteilung der Lichtintensität und der Polarisation bzw. elektrischem Feld am Ort des Fokus,
- 4. Kalibrierung der absoluten Intensität und der Sammlungseffizienz des mikroskopischen Aufbaus,
- 5. Vergleich von Mikroskopen unter Verwendung der gleichen Probe.
- 1. Calibration of the exact distance between two fluorophores, for example for confocal microscopy or for confocal microscopes,
- 2. Use of two fluorophores as a traceable standard measure (normal) for nanometer distances,
- 3. Calibration of the exact distribution of the light intensity and the polarization or electric field at the location of the focus,
- 4. Calibration of the absolute intensity and the collection efficiency of the microscopic structure,
- 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:
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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
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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:
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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
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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
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:
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1 : eine Mikroskopanordnung, -
2 : Details einer Probe, -
3 : Details eines optischen Zentrums, -
4 : einen Verlauf eines Anregungslichtstrahls, -
5 : einen zu4 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 vorhergehenden10 bis13 .
-
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 too4th 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 theprevious ones 10 to13 .
Das Mikroskop
Die Abfrageoptik
Das Mikroskop
Das Mikroskop
Das Mikroskop
Das Mikroskop
Tritt Licht von der Probe
Bei der Probe
Das erste optische Zentrum
Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, kann die magnetische Kopplung zwischen zwei optischen Zentren
Hierzu kann insbesondere das weiter oben bereits beschriebene Verfahren verwendet werden. Eine räumliche Kalibrierung des Detektors
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
Wie mit Pfeilen, welche in einer Ebene quer zur Orientierung
Das eben beschriebene Phänomen kann zur Vermessung eines Anregungslichtstrahls
In
Zugehörige optische Übergangsdipolmomente der beiden optischen Zentren sind in
Dies führt zu dem in
Das eben beschriebene Phänomen der Feldabhängigkeit der Anregung kann dazu verwendet werden, einen Anregungslichtstrahl
Da der Abstand d der beiden optischen Zentren
In
Bei der in
Das in der Probe
Durch ein solches räumliches Verfahren kann beispielsweise eine in
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
In
Insgesamt hat es sich gezeigt, dass die Verwendung von Proben
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
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Claims (28)
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2019
- 2019-08-02 DE DE102019120960.9A patent/DE102019120960A1/en not_active Withdrawn
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