WO2012016753A1 - Autofocus system - Google Patents

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WO2012016753A1
WO2012016753A1 PCT/EP2011/060081 EP2011060081W WO2012016753A1 WO 2012016753 A1 WO2012016753 A1 WO 2012016753A1 EP 2011060081 W EP2011060081 W EP 2011060081W WO 2012016753 A1 WO2012016753 A1 WO 2012016753A1
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WO
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sample substance
sample
interferometer
substance
focal plane
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PCT/EP2011/060081
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Inventor
Markus Sticker
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/24Base structure
    • G02B21/241Devices for focusing
    • G02B21/245Devices for focusing using auxiliary sources, detectors
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/36Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements
    • G02B21/365Control or image processing arrangements for digital or video microscopes
    • G02B21/367Control or image processing arrangements for digital or video microscopes providing an output produced by processing a plurality of individual source images, e.g. image tiling, montage, composite images, depth sectioning, image comparison

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the Z position in the direction of the optical axis of a microscopic imaging system, in which a sample substance to be imaged is located, as well as for automatically focusing the imaging system on this Z position.
  • Microscopic imaging systems are often used to digitally record a sample substance, for example a tissue section, which is stored on a microscope slide protected by a cover glass. If the lateral extent of the sample substance to be recorded is greater than the field of view of the imaging system or greater than a range which can be directly absorbed by a camera, then it is necessary to first consecutively extend several times, for example 220 ⁇ m x 165, perpendicular to the optical axis of the imaging system ⁇ record large areas of a sample substance. In the prior art, this is done with the aid of a so-called digital "slide scanner.” The images of the individual regions are then combined to form a so-called "tiled image" as an overall image.
  • the problem here is that the depth of field of the optical imaging system decreases with increasing lateral optical resolution. If the sample is focused at a location with respect to a first region to be recorded, it is highly probable that the focus position after shifting the sample to accommodate an adjacent region is different, ie the sample is defocused there, unless an adjustment of the depth position or a renewed focus is made.
  • Causes for the change in the focus position may be, for example, a non-perpendicular orientation of the slide to the optical axis, thickness variations in the slide or in the cover glass, deflections of the slide or thickness variations of the embedding between cover glass and sample substance. It is also possible that the distance between the sample substance to be recorded and the slide varies with lateral displacement.
  • the focus position is determined by means of a software autofocus, whereby several images are recorded at different depths of the sample and, for example iteratively, the best Focus position determined on the basis of the image contrast.
  • Another known procedure provides to determine the focus position at predetermined time intervals during the scanning with the aid of a respective software autofocus and thereby correct any deviations ascertained. Both methods have the disadvantage that they take undesirably much time.
  • Another known method for focusing the sample is the so-called hardware autofocus, in which the Z-positions of reflective interfaces are determined, such as those of the cover glass top or the slide bottom.
  • depth positions for example the position of the sample substance to be imaged
  • the information about the position of, for example, the cover glass top or the slide bottom is often insufficient as a prerequisite for focusing the sample substance, since the distance of the sample substance to these interfaces is not constant.
  • the invention has the object, a method and a device of the type mentioned in such a way that with higher efficiency than in the prior art, a determination of the Z-position of the sample substance is ensured with subsequent automatic focusing on this Z-position.
  • the Z-position of a sample substance to be imaged is determined in a microscopic imaging system and the automatic focusing on the sample substance is carried out in the following method steps:
  • the focal plane and the sample substance to be imaged are moved in the Z-direction relative to each other until the sample substance of the focal plane is, and then the sample substance is imaged.
  • the sample substance is recorded digitally.
  • the interferometer used is preferably a short-coherence interferometer.
  • Short-coherence interferometry is a relatively young, high-precision optical method for examining surfaces and thin layers and scattering media, such as the retina of the eye, skin, tissue, etc. It is currently still in the medical and industrial development phase applications.
  • the underlying measuring principle is based for example on a fiber optic Michelson interferometer; the essential components are a short-coherent light source, a seroptic beam splitter and a detector.
  • a sample beam emerging from the beam splitter passes to the measurement object, and the detector detects the interference of the light of the sample beam reflected or scattered by the measurement object with the light from the reference arm.
  • By shifting a mirror inserted into the optical path different optical path lengths result, and as a function of this, interferences in the form of different intensities are displayed on the detector.
  • the detected signal is analyzed for depth and reflectance or backscatter potential information of a reflective or backscattering interface or structure in the sample.
  • White light sources or superluminescent diodes are particularly suitable as light sources.
  • the wavelength ranges are typically in the range from 400 nm to 1600 nm.
  • the temporal coherence of the light source is related to the spectral power density via a Fourier transformation, which leads to a short coherence length for a large spectral bandwidth.
  • the size of the possible path length differences of reference and object light, which still reveal an interference, depends on the coherence length. Thus, with a short coherence length, high axial resolutions can be achieved even with a large depth of field of optics.
  • the sample beam of the short-coherence interferometer is preferably coupled parallel to the beam path for image acquisition into the microscopic imaging system, so that it is directed through the microscope objective to the sample substance. It is advantageous if the sample beam uses only a small portion of the aperture of the objective, so that the lateral extent and the depth of focus of the focus in the sample substance are as large as possible. An increase in the depth of focus can additionally be achieved with an axial lens.
  • the interference signals are analyzed with respect to the various interfaces and backscattering structures as well as the depth position of the sample substance, and the Z-position of the sample substance is determined based on the analysis result.
  • the focus position in the sample can be adjusted so that the sample substance or certain structures of the sample substance are in the focal plane.
  • the focus position can also be determined very quickly during the scanning. A prior generation of a focus map is no longer necessary.
  • the time for the determination of the focus position as well as the subsequent focusing can be restricted in time to the duration of the image acquisition, if the invention is advantageously used, as will be explained in more detail below.
  • the invention can be configured with further method steps to the effect that even after the alignment of the focus position on the male sample substance from this outgoing optical information is used to control the correct focus and maintain.
  • either the specimen or the objective can be moved, or internal focusing can be used, changing the beam divergence in front of the objective.
  • 2D sensors Tile Scan
  • TDI sensors Line Scan
  • 1 D sensors Line Scan
  • Single sensors Point Scan
  • contrast method bright field, fluorescence, phase contrast, DIC and dark field can be used in connection with the method according to the invention.
  • the invention further relates to a device for automatic displacement of the focal plane of a microscopic imaging system in a Z-position, in which there is a sample substance to be imaged.
  • a sample beam emanating from an interferometer is directed in the Z direction through the sample substance,
  • an evaluation device which is designed to determine the Z position of the sample substance from the set of determined Z positions,
  • an adjusting device which is designed to shift the focal plane in the Z direction up to the Z position of the sample substance to be imaged; a control unit connected to the evaluation device and the adjusting device, which is designed to generate setting commands for automatically shifting the focal plane to the specific Z position, and a camera connected to the drive unit, designed to hold the sample substance after the automatic focusing.
  • the illumination and imaging beam path of the imaging system pass through the objective of the imaging system together with the beam paths of the interferometer.
  • a beam splitter for coupling and decoupling the interferometer beam paths from the illumination and imaging beam path is provided on the image side of the objective.
  • the coupling in and out of the interferometer beam paths can also be carried out by means of mirrors.
  • a smaller proportion of the aperture of the objective is provided for the interferometer beam paths than for the illumination and imaging beam path, which advantageously has the consequence that the lateral extent of the focal plane and the depth of focus of the focus range are relatively large.
  • an axicon lens can be arranged in the illumination and imaging beam path. In this case, the axicon lens is arranged outside the beam path provided for image recording.
  • a short-coherence interferometer with a super-luminescence diode as the light source is provided as an interferometer.
  • the wavelength of the light emitted by the light source is in the range of 750 nm to 1600 nm.
  • the Fourier domain method is preferably used, the sampling or repetition rate of the depth scan being, for example, 20 kHz.
  • the sample substance to be imaged and the cover glass surface are of interest with regard to the determination of the Z positions in the depth of the sample.
  • the sample substance to be imaged and the cover glass surface are of interest with regard to the determination of the Z positions in the depth of the sample.
  • an overall image of the sample substance is obtained by adding several recorded adjacent to the optical axis of the imaging system adjacent areas of the sample substance and then assembled into an overall image.
  • the image of the sample substance or of the individual regions of the sample substance advantageously takes place on a spatially resolving digital image sensor.
  • a sample substance 1 for example a tissue section, is deposited on a microscope slide 2 and covered with a cover glass 3.
  • the sample substance 1 extends in a plane X, Y perpendicular to the optical axis 4 of the illumination and imaging beam path 5 of a microscopic imaging system not shown in detail.
  • the sample substance 1 is located in the focal plane of an objective 6, which is part of the imaging system.
  • the illumination for the microscopic image acquisition takes place in the example chosen here according to the method of fluorescence microscopy in reflected light. Deviating from this, however, the application of bright field microscopy is conceivable, in which case the illumination takes place in transmitted light in the visible wavelength range.
  • FIG. 1 omits the representation of the light source and of a beam splitter for coupling the illumination light into the illumination and imaging beam path 5.
  • the procedure for coupling is known from the prior art and therefore need not be explained in detail here.
  • a short-coherence interferometer 9 is provided according to the invention, from which a sample beam 10 originates and is coupled into the illumination and imaging beam path 5 via a beam splitter 11 so that it passes through in the Z direction as well as the illumination light the objective 6 is directed onto the cover glass 3, the sample substance 1 and the slide 2.
  • the short-coherence interferometer 9 is provided to carry out a depth scan in time before the taking of the sample substance 1 or the taking of a partial image of the sample substance 1, which serves to exactly determine the Z-position of the sample substance 1 or a region of the sample substance 1 to be recorded in order then to be able to align the focal plane accordingly.
  • FIG. 2 An example of the interference signals that result is shown in FIG. It can be seen from FIG. 2 that the interferences caused by boundary layers or structures differ with regard to their amplitudes and are assigned to different depths in the sample in the Z direction.
  • an interference 12 caused by the slide top it corresponds to the depth position Z1.
  • an interference 13 is caused, which corresponds to the depth position Z2.
  • the amplitude also gives information about the optical properties of the relevant reflecting or backscattering interface or structure. However, these should not be considered here.
  • a related information via a drive unit is passed to actuators, either by movement of the lens 6 or the slide 2 to cause a shift of the focal plane in the Z direction to the extent that this is in the depth position Z2 and thus in the plane X, Y, in which the sample substance 1 to be recorded extends.
  • a triggering command is transmitted to the camera by the drive unit and an image of the sample substance 1 is taken.
  • a sample substance 1 is to be taken whose lateral extent is greater than the image field of the imaging system or larger than an area that can be directly absorbed by a camera image, then it is necessary to have several perpendicular to the optical axis 4 of FIG Record imaging system extending areas n, n + 1, n + 2, etc. of the sample substance 1 and then join the shots of these individual areas to form an overall picture.
  • a very advantageous application of the method according to the invention and the device according to the invention is to carry out the depth scan in an area n + 1 by means of the sample beam 10 of the short coherence interferometer 9, the Z position of the sample substance 1 in this area n + 1 and store this Z position assigned to the area n + 1 while the camera is still focused on the previous area n and recording the area n.
  • the sample substance 1 is moved continuously under the objective 6 in the X and / or Y direction, with a speed corresponding to the camera image repetition rate, so that in the next image acquisition the region n + 1 is in the image field of the camera, and the The Z-position of the sample substance 1 assigned to this region n + 1 has already been approached while the depth scan in the region n + 2 to be subsequently recorded already determines the Z-position of the sample substance 1 in the region n + 2, the region n + 2 stored and provided for automatic focusing in the subsequent recording of the area n + 2. This process continues until all areas of the sample substance have been collected.
  • the microscopic device according to the invention is designed such that the sample beam 10 of the short-coherence interferometer 9 is directed outside of the image field of the camera onto the sample substance 1. This is achieved by coupling the sample beam 10 at an angle into the objective 6.
  • an autofocus system is provided which, in connection with a microscopic device for imaging in particular of tissue sections, ensures fast and highly accurate focusing.

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Abstract

Microscopic device for imaging a sample substance (1), comprising: - a microscopic imaging system, and - means for automatically displacing the focal plane along the optical axis (4) of the imaging system into a Z-position, in which the sample substance (1) to be imaged is situated, characterized by - a sample beam (10) which emerges from an interferometer and is directed in the Z-direction through the sample substance (1), wherein the interference signals arising as a result of interference of the light of the sample beam (10) that is reflected or backscattered from optically active interfaces and/or structures with the reference beam of the interferometer are provided for determining the Z-positions of the interfaces and/or structures of the sample, - an evaluation device for determining the Z-position of the sample substance (1), - an adjusting device, designed for displacing the focal plane and the sample substance (1) relative to one another until the sample substance (1) is situated in the focal plane, and - a drive unit connected to the evaluation device and the adjusting device and serving for generating actuating commands for automatically displacing the focal plane into the Z-position determined.

Description

Titel  title
Autofokussystem  Autofocus System
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung der Z- Position in Richtung der optischen Achse eines mikroskopischen Abbildungssystems, in der sich eine abzubildende Probensubstanz befindet, sowie zur automatischen Fokussierung des Abbildungssystems auf diese Z-Position. The invention relates to a method and a device for determining the Z position in the direction of the optical axis of a microscopic imaging system, in which a sample substance to be imaged is located, as well as for automatically focusing the imaging system on this Z position.
Stand der Technik State of the art
Mikroskopische Abbildungssysteme werden häufig dazu genutzt, eine Probensubstanz, beispielsweise einen Gewebeschnitt, der von einem Deckglas geschützt auf einem Objektträger abgelegt ist, digital aufzunehmen. Ist die laterale Ausdehnung der aufzunehmenden Proben- Substanz größer als das Bildfeld des Abbildungssystems bzw. größer als ein unmittelbar mit einer Kamera aufnehmbarer Bereich, so ist es notwendig, zunächst zeitlich nacheinander mehrere sich senkrecht zur optischen Achse des Abbildungssystems erstreckende, beispielsweise 220 μιη x 165 μιη große Bereiche einer Probensubstanz aufzunehmen. Im Stand der Technik erfolgt dies mit Hilfe eines so genannten digitalen„Slide-Scanners". Die Aufnahmen der einzelnen Bereiche werden anschließend zu einem so genannten „Tiled- Image" als Gesamtbild zusammengefügt.  Microscopic imaging systems are often used to digitally record a sample substance, for example a tissue section, which is stored on a microscope slide protected by a cover glass. If the lateral extent of the sample substance to be recorded is greater than the field of view of the imaging system or greater than a range which can be directly absorbed by a camera, then it is necessary to first consecutively extend several times, for example 220 μm x 165, perpendicular to the optical axis of the imaging system μιη record large areas of a sample substance. In the prior art, this is done with the aid of a so-called digital "slide scanner." The images of the individual regions are then combined to form a so-called "tiled image" as an overall image.
Problematisch ist dabei, dass sich mit zunehmender lateraler optischer Auflösung die Tiefenschärfe des optischen Abbildungssystems verringert. Ist die Probe an einem Ort in Bezug auf einen ersten aufzunehmenden Bereich fokussiert, so ist mit hoher Wahrscheinlichkeit die Fokusposition nach Verschiebung der Probe zwecks Aufnahme eines benachbarten Bereiches eine andere, das heißt die Probe ist dort defokussiert, sofern nicht eine Anpassung der Tiefenposition bzw. eine erneute Fokussierung vorgenommen wird. Ursachen für die Änderung der Fokusposition können z.B. eine nicht-senkrechte Ausrichtung des Objektträgers zur optischen Achse, Dickenschwankungen im Objektträger oder im Deckglas, Durchbiegungen des Objektträgers oder auch Dickenschwankungen des Einbettmediums zwischen Deckglas und Probensubstanz sein. Möglich ist auch, dass der Abstand der aufzunehmenden Probensubstanz über dem Objektträger bei lateraler Verschiebung variiert. The problem here is that the depth of field of the optical imaging system decreases with increasing lateral optical resolution. If the sample is focused at a location with respect to a first region to be recorded, it is highly probable that the focus position after shifting the sample to accommodate an adjacent region is different, ie the sample is defocused there, unless an adjustment of the depth position or a renewed focus is made. Causes for the change in the focus position may be, for example, a non-perpendicular orientation of the slide to the optical axis, thickness variations in the slide or in the cover glass, deflections of the slide or thickness variations of the embedding between cover glass and sample substance. It is also possible that the distance between the sample substance to be recorded and the slide varies with lateral displacement.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die z-Position der Probe während des Aufnahme- Scans von Bereich zu Bereich anzupassen, um die Probe in den Fokus zu bringen. Hence, there is a need to adjust the z-position of the sample from area to area during the scan to bring the sample into focus.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck vor dem Scannen eine auf die Probe bezogene, so genannte„Fokus-Map" zu erzeugen und dann während des Scannens die Probe oder das Objektiv unter Berücksichtigung der Anweisungen dieser„Fokus-Map" in axialer Richtung zu verfahren, um die Fokussierung beizubehalten. For this purpose it is known to generate a sample-related, so-called "focus map" before scanning, and then to move the sample or the lens in the axial direction during scanning, taking into account the instructions of this "focus map" to maintain the focus.
Zur Erzeugung der„Fokus-Map" werden nach Stand der Technik mehrere Orte auf der Probe angefahren, und es wird mit Hilfe eines Software-Autofokus die Fokusposition bestimmt. Dabei werden mehrere Bilder in unterschiedlichen Tiefen der Probe aufgenommen und, beispielsweise iterativ, die beste Fokusposition anhand des Bildkontrastes bestimmt. To generate the "focus map", several prior art locations are approached on the sample, and the focus position is determined by means of a software autofocus, whereby several images are recorded at different depths of the sample and, for example iteratively, the best Focus position determined on the basis of the image contrast.
Eine andere bekannte Verfahrensweise sieht vor, in vorgegebenen Zeitabständen während des Scannens mit Hilfe jeweils eines Software-Autofokus die Fokusposition zu bestimmen und dabei festgestellte Abweichungen zu korrigieren. Beide Verfahrensweisen haben den Nachteil, dass sie unerwünscht viel Zeit in Anspruch nehmen. Another known procedure provides to determine the focus position at predetermined time intervals during the scanning with the aid of a respective software autofocus and thereby correct any deviations ascertained. Both methods have the disadvantage that they take undesirably much time.
Eine weitere bekannte Methode zur Fokussierung der Probe ist der so genannte Hardware- Autofokus, bei dem die Z-Positionen reflektierender Grenzflächen bestimmt werden, wie etwa die der Deckglasoberseite oder der Objektträgerunterseite. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass Tiefenpositionen, z.B. die Position der abzubildenden Probensubstanz, nicht direkt gemessen werden können, weil die zurückgestreute Menge an Licht dafür nicht ausreichend ist. Die Informationen über die Lage zum Beispiel der Deckglasoberseite oder der Objektträgerunterseite sind häufig nicht ausreichend als Voraussetzung für eine Fokussierung der Probensubstanz, da der Abstand der Probensubstanz zu diesen Grenzflächen nicht konstant ist. Bei einem Verfahren mittels konfokaler Detektion muss durch die Probe hindurchfokussiert werden, wozu eine mechanische Bewegung notwendig ist, was wiederum unerwünscht viel Zeit in Anspruch nimmt und wodurch es außerdem aufgrund der erforderlichen mechanischen Stellbewegungen zu Ungenauigkeiten im Messergebnis kommen kann. Another known method for focusing the sample is the so-called hardware autofocus, in which the Z-positions of reflective interfaces are determined, such as those of the cover glass top or the slide bottom. However, there is the disadvantage here that depth positions, for example the position of the sample substance to be imaged, can not be measured directly, because the backscattered amount of light is not sufficient for this purpose. The information about the position of, for example, the cover glass top or the slide bottom is often insufficient as a prerequisite for focusing the sample substance, since the distance of the sample substance to these interfaces is not constant. In a method using confocal detection, it must be possible to focus through the sample, which requires mechanical movement, which in turn takes an undesirably large amount of time and, in addition, can lead to inaccuracies in the measurement result due to the required mechanical positioning movements.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass mit höherer Effizienz als im Stand der Technik eine Bestimmung der Z-Position der Probensubstanz mit anschließender automatischer Fokussierung auf diese Z-Position gewährleistet ist.  On this basis, the invention has the object, a method and a device of the type mentioned in such a way that with higher efficiency than in the prior art, a determination of the Z-position of the sample substance is ensured with subsequent automatic focusing on this Z-position.
Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Z-Position einer abzubildenden Probensubstanz in einem mikroskopischen Abbildungssystem und die automatische Fokussierung auf die Probensubstanz in folgenden Verfahrensschritten: According to the invention, the Z-position of a sample substance to be imaged is determined in a microscopic imaging system and the automatic focusing on the sample substance is carried out in the following method steps:
Ausführen eines Tiefenscans in Z-Richtung durch die Probensubstanz hindurch mittels eines Interferometers, wobei  Performing a depth scan in the Z direction through the sample substance by means of an interferometer, wherein
das von optisch wirksamen Grenzflächen und/oder Strukturen reflektierte oder rückgestreute Licht eines Interferometer-Probenstrahles mit dem Referenzstrahl des Inter- ferometers zur Interferenz gebracht wird,  the light of an interferometer sample beam reflected or backscattered by optically effective interfaces and / or structures is brought into interference with the reference beam of the interferometer,
anhand der dabei entstehenden Interferenzsignale eine Bestimmung der Z-Positionen der Grenzflächen und/oder Strukturen der Probe vorgenommen wird,  a determination of the Z-positions of the interfaces and / or structures of the sample is made on the basis of the resulting interference signals,
daraus die Z-Position bestimmt wird, die der Position der Probensubstanz in Richtung der optischen Achse entspricht,  determining therefrom the Z-position corresponding to the position of the sample substance in the direction of the optical axis,
- die Fokusebene und die abzubildende Probensubstanz in Z-Richtung relativ zueinander verschoben werden, bis sich die Probensubstanz der Fokusebene befindet, und dann die Probensubstanz abgebildet wird. - The focal plane and the sample substance to be imaged are moved in the Z-direction relative to each other until the sample substance of the focal plane is, and then the sample substance is imaged.
Als Probe im Sinne der Erfindung ist beispielsweise die Gesamtheit aus einem Objektträger, einem Deckglas und der dazwischen eingeschlossenen Probensubstanz zu verstehen. Bevorzugt wird die Probensubstanz digital aufgenommen. Als Interferometer wird bevorzugt ein Kurzkohärenzinterferometer genutzt. As a sample in the context of the invention, for example, the entirety of a slide, a coverslip and the enclosed between them sample substance to understand. Preferably, the sample substance is recorded digitally. The interferometer used is preferably a short-coherence interferometer.
Die Kurzkohärenzinterferometrie ist eine verhältnismäßig junge, optisch hochgenau mes- sende Methode zur Untersuchung von Oberflächen und dünnen Schichten und streuenden Medien, wie z.B. Netzhaut des Auges, Haut, Gewebe usw. Sie befindet die sich derzeit noch in der Phase der Erschließung für medizinische und industrielle Anwendungen. Das zugrunde liegende Meßprinzip beruht beispielsweise auf einem faseroptischen Michelson- Interferometer; die wesentlichen Komponenten sind eine kurzkohärente Lichtquelle, ein fa- seroptischer Strahlteiler und ein Detektor. Ein vom Strahlteiler austretender Probenstrahl gelangt zum Messobjekt, und mit dem Detektor wird die Interferenz des vom Messobjekt reflektierten oder gestreuten Lichtes des Probenstrahls mit dem Licht aus dem Referenzarm nachgewiesen. Durch Verschieben eines in den optischen Weg eingefügten Spiegels erge- ben sich unterschiedliche optische Weglängen, und in Abhängigkeit davon zeichnen sich auf dem Detektor Interferenzen in Form unterschiedlicher Intensitäten ab. Short-coherence interferometry is a relatively young, high-precision optical method for examining surfaces and thin layers and scattering media, such as the retina of the eye, skin, tissue, etc. It is currently still in the medical and industrial development phase applications. The underlying measuring principle is based for example on a fiber optic Michelson interferometer; the essential components are a short-coherent light source, a seroptic beam splitter and a detector. A sample beam emerging from the beam splitter passes to the measurement object, and the detector detects the interference of the light of the sample beam reflected or scattered by the measurement object with the light from the reference arm. By shifting a mirror inserted into the optical path, different optical path lengths result, and as a function of this, interferences in the form of different intensities are displayed on the detector.
Das detektierte Signal wird in Bezug auf Informationen über die Tiefe und Reflexions- oder Rückstreupotenzial einer reflektierenden oder rückstreuenden Grenzfläche oder Struktur in der Probe analysiert. The detected signal is analyzed for depth and reflectance or backscatter potential information of a reflective or backscattering interface or structure in the sample.
Als Lichtquellen sind insbesondere Weißlichtquellen oder Superlumineszenzdioden geeignet. Die Wellenlängenbereiche liegen typischerweise im Bereich von 400 nm bis 1600 nm. Die zeitliche Kohärenz der Lichtquelle hängt mit der spektralen Leistungsdichte über eine Fourier-Transformation zusammen, was bei einer großen spektrale Bandbreite zu einer kurzen Kohärenzlänge führt. Die Größe der möglichen Weglängenunterschiede von Referenz- und Objektlicht, die noch eine Interferenz erkennen lassen, hängt von der Kohärenzlänge ab. Somit lassen sich bei kurzer Kohärenzlänge hohe axiale Auflösungen auch bei großer Tiefenschärfe der Optik erreichen. White light sources or superluminescent diodes are particularly suitable as light sources. The wavelength ranges are typically in the range from 400 nm to 1600 nm. The temporal coherence of the light source is related to the spectral power density via a Fourier transformation, which leads to a short coherence length for a large spectral bandwidth. The size of the possible path length differences of reference and object light, which still reveal an interference, depends on the coherence length. Thus, with a short coherence length, high axial resolutions can be achieved even with a large depth of field of optics.
So erhält man beispielsweise bei einer Bandbreite von 30 nm bis 50 nm axiale Auflösungen von 3 μιη bis 10 μιη. Neuere Lichtquellen mit mehr als 100 nm Bandbreite ermöglichen axiale Auflösungen nahe 1 μιη. Thus, for example, at a bandwidth of 30 nm to 50 nm axial resolutions of 3 μιη to 10 μιη. Newer light sources with more than 100 nm bandwidth enable axial resolutions close to 1 μιη.
Der Probenstrahl des Kurzkohärenzinterferometers wird bevorzugt parallel zum Strahlengang für die Bildaufnahme in das mikroskopische Abbildungssystem eingekoppelt, so dass er durch das Mikroskopobjektiv hindurch auf die Probensubstanz gerichtet ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Probenstrahl nur einen geringen Anteil der Apertur des Objektivs aus- nutzt, so dass die laterale Ausdehnung und die Tiefenschärfe des Fokus in der Probensubstanz möglichst groß sind. Eine Erhöhung der Tiefenschärfe kann zusätzlich mit einer Axi- conlinse erzielt werden. The sample beam of the short-coherence interferometer is preferably coupled parallel to the beam path for image acquisition into the microscopic imaging system, so that it is directed through the microscope objective to the sample substance. It is advantageous if the sample beam uses only a small portion of the aperture of the objective, so that the lateral extent and the depth of focus of the focus in the sample substance are as large as possible. An increase in the depth of focus can additionally be achieved with an axial lens.
Die Interferenzsignale werden in Bezug auf die verschiedenen Grenzflächen und rückstreu- enden Strukturen sowie auf die Tiefenposition der Probensubstanz analysiert, und anhand des Analyseergebnisses wird die Z-Position der Probensubstanz bestimmt. The interference signals are analyzed with respect to the various interfaces and backscattering structures as well as the depth position of the sample substance, and the Z-position of the sample substance is determined based on the analysis result.
Wird dazu die an sich bekannte Fourier-Domain-Methode verwendet, kann eine Wiederholrate von 20 kHz des Tiefenscans erreicht werden. Da die Genauigkeit der so ermittelten Tiefenposition um ein vielfaches höher ist als die Kohärenzlänge, kann anhand der Kenntnis der Tiefenposition der Probensubstanz die Fokusposition in der Probe so angepasst werden, dass sich die Probensubstanz oder auch bestimmte Strukturen der Probensubstanz in der Fokusebene befinden. If the known Fourier domain method is used for this, a repetition rate of 20 kHz of the depth scan can be achieved. Because the accuracy of the so determined Depth position is many times higher than the coherence length, based on the knowledge of the depth position of the sample substance, the focus position in the sample can be adjusted so that the sample substance or certain structures of the sample substance are in the focal plane.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich sehr schnell die Fokusposition auch während des Scannens bestimmen. Eine vorherige Generierung einer Fokus-Map ist nicht mehr notwendig. Die Zeit für die Bestimmung der Fokusposition sowie die nachfolgende Fokussierung können sich bei vorteilhafter Nutzung der Erfindung zeitlich auf die Dauer der Bildaufnahme beschränken, wie weiter unten noch näher erläutert wird. With the method according to the invention, the focus position can also be determined very quickly during the scanning. A prior generation of a focus map is no longer necessary. The time for the determination of the focus position as well as the subsequent focusing can be restricted in time to the duration of the image acquisition, if the invention is advantageously used, as will be explained in more detail below.
Die Erfindung kann mit weiteren Verfahrensschritten dahingehend ausgestaltet sein, dass auch noch nach der Ausrichtung der Fokusposition auf die aufzunehmende Probensubstanz von dieser ausgehende optische Informationen genutzt werden, um die korrekte Fokussierung zu kontrollieren und beizubehalten. The invention can be configured with further method steps to the effect that even after the alignment of the focus position on the male sample substance from this outgoing optical information is used to control the correct focus and maintain.
Zur Fokussierung können entweder die Probe oder das Objektiv bewegt werden, oder es wird eine interne Fokussierung genutzt, wobei die Strahldivergenz vor dem Objektiv geändert wird. Zur Bildaufnahme lassen sich sowohl 2D-Sensoren (Tile Scan), TDI Sensoren (Line Scan), 1 D-Sensoren (Line Scan) oder auch Einzelsensoren (Point Scan) verwenden. Als Kontrastverfahren sind im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Hellfeld, Fluoreszenz, Phasenkontrast, DIC und Dunkelfeld anwendbar. For focusing, either the specimen or the objective can be moved, or internal focusing can be used, changing the beam divergence in front of the objective. For image acquisition, you can use either 2D sensors (Tile Scan), TDI sensors (Line Scan), 1 D sensors (Line Scan) or even single sensors (Point Scan). As a contrast method, bright field, fluorescence, phase contrast, DIC and dark field can be used in connection with the method according to the invention.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Einrichtung zur automatischen Verschiebung der Fokusebene eines mikroskopischen Abbildungssystems in eine Z-Position, in der sich eine abzubildende Probensubstanz befindet. Erfindungsgemäß ist bei dieser Einrichtung ein von einem Interferometer ausgehender Probenstrahl in Z-Richtung durch die Pro- bensubstanz hindurch gerichtet, The invention further relates to a device for automatic displacement of the focal plane of a microscopic imaging system in a Z-position, in which there is a sample substance to be imaged. According to the invention, in this device, a sample beam emanating from an interferometer is directed in the Z direction through the sample substance,
das durch Interferenz des von optisch wirksamen Grenzflächen und/oder Strukturen reflektierten oder rückgestreuten Lichtes des Probenstrahles mit dem Referenzstrahl des Interferometers entstehende Interferenzsignal zur Bestimmung der Z-Positionen der Strukturen und/oder Grenzflächen vorgesehen,  the interference signal generated by the interference of the light reflected by optically active interfaces and / or structures or backscattered light of the sample beam with the reference beam of the interferometer for determining the Z positions of the structures and / or interfaces,
- eine Auswerteeinrichtung vorhanden, die zur Bestimmung der Z-Position der Probensubstanz aus der Menge der ermittelten Z-Positionen ausgebildet ist, an evaluation device is provided, which is designed to determine the Z position of the sample substance from the set of determined Z positions,
eine Versteileinrichtung vorgesehen, die zur Verschiebung der Fokusebene in Z- Richtung bis zur Z-Position der abzubildenden Probensubstanz ausgebildet ist, eine mit der Auswerteeinrichtung und der Versteileinrichtung verbundene Ansteuer- einheit vorhanden, die zum Generieren von Stellbefehlen zur automatischen Verschiebung der Fokusebene in die bestimmte Z-Position ausgebildet ist, und eine mit der Ansteuereinheit verbundene Kamera vorhanden, ausgebildet zur Auf- nähme der Probensubstanz nach der automatischen Fokussierung. an adjusting device is provided which is designed to shift the focal plane in the Z direction up to the Z position of the sample substance to be imaged; a control unit connected to the evaluation device and the adjusting device, which is designed to generate setting commands for automatically shifting the focal plane to the specific Z position, and a camera connected to the drive unit, designed to hold the sample substance after the automatic focusing.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung treten der Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang des Abbildungssystems gemeinsam mit den Strahlengängen des Interferometers durch das Objektiv des Abbildungssystems hindurch. Bildseitig vom Objektiv ist ein Strahlteiler zur Ein- und Auskopplung der Interferometerstrah- lengänge aus dem Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang vorgesehen. Wenn der Probenstrahl außerhalb des Bildfeldes liegt, kann die Ein- und Auskopplung der Interferome- terstrahlengänge auch mittels Spiegel vorgenommen werden. Dabei wird für die Interferometerstrahlengänge ein geringerer Anteil an der Apertur des Objektivs zur Verfügung gestellt als für den Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang, was vorteilhaft zur Folge hat, dass die laterale Ausdehnung der Fokusebene und die Tiefenschärfe des Fokusbereiches verhältnismäßig groß sind. Zur Erhöhung der Tiefenschärfe des Fokus kann eine Axiconlinse in den Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang eingeordnet sein. Dabei wird die Axiconlinse außerhalb des zur Bildaufnahme vorgesehenen Strahlengangs eingeordnet. In a first preferred embodiment of the device according to the invention, the illumination and imaging beam path of the imaging system pass through the objective of the imaging system together with the beam paths of the interferometer. On the image side of the objective, a beam splitter for coupling and decoupling the interferometer beam paths from the illumination and imaging beam path is provided. If the sample beam lies outside the image field, the coupling in and out of the interferometer beam paths can also be carried out by means of mirrors. In this case, a smaller proportion of the aperture of the objective is provided for the interferometer beam paths than for the illumination and imaging beam path, which advantageously has the consequence that the lateral extent of the focal plane and the depth of focus of the focus range are relatively large. To increase the depth of field of the focus, an axicon lens can be arranged in the illumination and imaging beam path. In this case, the axicon lens is arranged outside the beam path provided for image recording.
Als Interferometer ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Kurzkohärenzin- terferometer mit einer Superlumineszenzdiode als Lichtquelle vorgesehen. Die Wellenlänge des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtes liegt im Bereich von 750 nm bis 1600 nm. In a particularly preferred embodiment, a short-coherence interferometer with a super-luminescence diode as the light source is provided as an interferometer. The wavelength of the light emitted by the light source is in the range of 750 nm to 1600 nm.
Zur Bestimmung der Z-Positionen wird bevorzugt das Fourier-Domain-Verfahren angewendet, wobei die Abtast- bzw. Wiederholrate des Tiefenscans beispielsweise 20 kHz beträgt. To determine the Z positions, the Fourier domain method is preferably used, the sampling or repetition rate of the depth scan being, for example, 20 kHz.
Ist die Probensubstanz von einem Objektträger und einem Deckglas eingeschlossen, so sind bezüglich der Ermittlung der Z-Positionen in der Tiefe der Probe insbesondere die Objektträgeroberfläche, die Deckglasrückfläche, die abzubildende Probensubstanz und die Deckglasoberfläche von Interesse. Bei ausreichend hoher axialer Auflösung des Interferometers sind auch die Ermittlung von Z-Positionen von Strukturen innerhalb der Probensubstanz und die automatische Fokussierung auf diese Strukturen möglich. When the sample substance is enclosed by a slide and a coverslip, in particular the slide surface, the cover glass back surface, the sample substance to be imaged and the cover glass surface are of interest with regard to the determination of the Z positions in the depth of the sample. With sufficiently high axial resolution of the interferometer, it is also possible to determine Z positions of structures within the sample substance and to automatically focus on these structures.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung wird, wie eingangs bereits beschrieben, ein Gesamtbild der Probensubstanz gewonnen, indem mehrere senkrecht zur optischen Achse des Abbildungssystems nebeneinander liegende Bereiche der Probensubstanz aufgenommen und dann zu einem Gesamtbild zusammengefügt werden. Die Abbildung der Probensubstanz bzw. der einzelnen Bereiche der Probensubstanz erfolgt vorteilhaft auf einen ortsauflösenden digitalen Bildsensor. In an advantageous embodiment of the device according to the invention, as already described above, an overall image of the sample substance is obtained by adding several recorded adjacent to the optical axis of the imaging system adjacent areas of the sample substance and then assembled into an overall image. The image of the sample substance or of the individual regions of the sample substance advantageously takes place on a spatially resolving digital image sensor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das auch zusätzliche erfindungswesentliche Merkmale offenbaren kann. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Abbildung einer Probensubstanz oder eines Teilbereiches der Probensubstanz, Beispiele für Interferenzsignale, die mit der Einrichtung nach Fig.1 bei einem Tiefenscan durch die Probe gewonnenen werden.  The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment, which may also disclose additional features essential to the invention. In the accompanying drawings show: the basic structure of the device according to the invention for imaging a sample substance or a portion of the sample substance, examples of interference signals, which are obtained with the device of Figure 1 in a depth scan through the sample.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
In Fig.1 ist eine Probensubstanz 1 , beispielsweise ein Gewebeschnitt, auf einem Objektträger 2 abgelegt und mit einem Deckglas 3 überdeckt. Die Probensubstanz 1 erstreckt sich in einer Ebene X,Y senkrecht zur optischen Achse 4 des Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengangs 5 eines im Detail nicht näher dargestellten mikroskopischen Abbildungssystems.  In FIG. 1, a sample substance 1, for example a tissue section, is deposited on a microscope slide 2 and covered with a cover glass 3. The sample substance 1 extends in a plane X, Y perpendicular to the optical axis 4 of the illumination and imaging beam path 5 of a microscopic imaging system not shown in detail.
In der Darstellung nach Fig.1 befindet sich die Probensubstanz 1 in der Fokusebene eines Objektivs 6, welches Teil des Abbildungssystems ist. In the illustration according to FIG. 1, the sample substance 1 is located in the focal plane of an objective 6, which is part of the imaging system.
Die Beleuchtung für die mikroskopische Bildaufnahme erfolgt in dem hier gewählten Beispiel nach der Methode der Fluoreszenzmikroskopie in Auflicht. Abweichend davon ist jedoch auch die Anwendung der Hellfeldmikroskopie denkbar, wobei dann die Beleuchtung in Durchlicht im sichtbaren Wellenlängenbereich erfolgt. The illumination for the microscopic image acquisition takes place in the example chosen here according to the method of fluorescence microscopy in reflected light. Deviating from this, however, the application of bright field microscopy is conceivable, in which case the illumination takes place in transmitted light in the visible wavelength range.
Das von der Probensubstanz 1 reflektierte bzw. gestreute Beleuchtungslicht wird durch das Objektiv 6 hindurch über das Abbildungssystem, zu dem weiterhin eine Tubuslinse 7 gehört, auf die zweidimensionale, pixelaufgelöste Sensorfläche des Bildsensors 8 einer Digitalkamera abgebildet. Der Übersichtlichkeit halber wurde in Fig.1 auf die Darstellung der Lichtquelle und eines Strahlteilers zur Einkopplung des Beleuchtungslichtes in den Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang 5 verzichtet. Die Verfahrensweise zur Einkopplung ist aus dem Stand der Technik bekannt und muß deshalb hier nicht näher erläutert werden. The illumination light reflected or scattered by the sample substance 1 is imaged on the two-dimensional, pixel-resolved sensor surface of the image sensor 8 of a digital camera through the objective 6 via the imaging system, which further includes a tube lens 7. For the sake of clarity, FIG. 1 omits the representation of the light source and of a beam splitter for coupling the illumination light into the illumination and imaging beam path 5. The procedure for coupling is known from the prior art and therefore need not be explained in detail here.
Im Unterschied zum Stand der Technik jedoch ist erfindungsgemäß ein Kurzkohärenzinterfe- rometer 9 vorgesehen, von dem ein Probenstrahl 10 ausgeht und über einen Strahlteiler 1 1 so in den Beleuchtungs- und Abbildungsstrahlengang 5 eingekoppelt wird, dass er ebenso wie das Beleuchtungslicht in Z-Richtung durch das Objektiv 6 hindurch auf das Deckglas 3, die Probensubstanz 1 und den Objektträger 2 gerichtet ist. In contrast to the prior art, however, a short-coherence interferometer 9 is provided according to the invention, from which a sample beam 10 originates and is coupled into the illumination and imaging beam path 5 via a beam splitter 11 so that it passes through in the Z direction as well as the illumination light the objective 6 is directed onto the cover glass 3, the sample substance 1 and the slide 2.
Das Kurzkohärenzinterferometer 9 ist erfindungsgemäß dafür vorgesehen, zeitlich vor der Aufnahme der Probensubstanz 1 bzw. der Aufnahme eines Teilbildes der Probensubstanz 1 einen Tiefenscan durchzuführen, der dazu dient, die Z-Position der Probensubstanz 1 bzw. eines aufzunehmenden Bereiches der Probensubstanz 1 exakt zu bestimmen, um anschließend die Fokusebene entsprechend ausrichten zu können. According to the invention, the short-coherence interferometer 9 is provided to carry out a depth scan in time before the taking of the sample substance 1 or the taking of a partial image of the sample substance 1, which serves to exactly determine the Z-position of the sample substance 1 or a region of the sample substance 1 to be recorded in order then to be able to align the focal plane accordingly.
Dies geschieht in der Weise, dass das von Grenzschichten und Strukturen innerhalb bzw. außerhalb der Probe reflektierte Licht des Probenstrahls 10 wieder durch das Objektiv 6 hindurch auf den Stahlteiler 1 1 gelangt und dort in Richtung des Kurzkohärenzinterferome- ters 9 abgelenkt wird. Dieses Licht wird mit dem Referenzstrahl des Kurzkohärenzinterfero- meters 9 zur Interferenz gebracht, und das sich dabei ergebende Interferenzsignal wird im Hinblick auf die Tiefen- bzw. Z-Positionen der Grenzschichten bzw. Strukturen der Probe analysiert. This is done in such a way that the light reflected by boundary layers and structures inside or outside the sample of the sample beam 10 again passes through the lens 6 on the steel divider 1 1 and is deflected there in the direction of the Kurzkohärenzinterferom- ter 9. This light is made to interfere with the reference beam of the short-coherence interferometer 9, and the resulting interference signal is analyzed with respect to the depth and Z positions of the boundary layers and structures of the sample, respectively.
In dem hier ausgeführten Beispiel entstehen vor allem Interferenzen durch die der Probensubstanz 1 zugewandte Oberseite des Objektträgers 2, durch die Probensubstanz 1 selbst, durch die der Probensubstanz 1 zugewandte Unterseite des Deckglases 3 sowie durch die der Probensubstanz 1 abgewandte Oberseite des Deckglases 3. In the example carried out here, in particular, there are interferences due to the upper side of the slide 2 facing the sample substance 1, through the sample substance 1 itself, through the underside of the cover glass 3 facing the sample substance 1 and through the upper side of the cover glass 3 facing away from the sample substance 1.
Ein Beispiel für die Interferenzsignale, die sich dabei ergeben, ist in Fig.2 dargestellt. Aus Fig.2 ist ersichtlich, dass sich die von Grenzschichten oder Strukturen verursachten Interferenzen bezüglich ihrer Amplituden unterscheiden und unterschiedlichen Tiefen in der Probe in Z-Richtung zugeordnet sind. An example of the interference signals that result is shown in FIG. It can be seen from FIG. 2 that the interferences caused by boundary layers or structures differ with regard to their amplitudes and are assigned to different depths in the sample in the Z direction.
So ist beispielsweise eine Interferenz 12 durch die Objektträgeroberseite verursacht, sie entspricht der Tiefenposition Z1 . Von der Probensubstanz 1 ist eine Interferenz 13 verursacht, die der Tiefenposition Z2 entspricht. Die Interferenzen 14 und 15, die von der Deck- glasrückfläche und der Deckglasvorderfläche verursacht sind, definieren die Tiefenpositionen Z3 und Z4. For example, an interference 12 caused by the slide top, it corresponds to the depth position Z1. Of the sample substance 1, an interference 13 is caused, which corresponds to the depth position Z2. Interference 14 and 15, which are glass rear surface and the cover glass front surface, define the depth positions Z3 and Z4.
Die Amplitude gibt au ßerdem auch Auskunft über die optischen Eigenschaften der betref- fenden reflektierenden oder rückstreuenden Grenzfläche bzw. Struktur. Diese sollen hier jedoch nicht weiter betrachtet werden. The amplitude also gives information about the optical properties of the relevant reflecting or backscattering interface or structure. However, these should not be considered here.
Nach Zuordnung der durch die Probensubstanz 1 verursachten Interferenz 13 zu der Tiefenposition Z2 wird eine diesbezügliche Information über eine Ansteuereinheit an Stellantriebe weitergegeben, um entweder durch Bewegung des Objektivs 6 oder des Objektträgers 2 eine Verschiebung der Fokusebene in Z-Richtung soweit zu veranlassen, dass sich diese in der Tiefenposition Z2 und damit in der Ebene X,Y befindet, in welcher sich die aufzunehmende Probensubstanz 1 erstreckt. Sobald dies erfolgt ist, wird von der Ansteuereinheit ein Auslösebefehl an die Kamera übermittelt und ein Bild der Probensubstanz 1 aufgenommen. After assignment of the caused by the sample substance 1 interference 13 to the depth position Z2 a related information via a drive unit is passed to actuators, either by movement of the lens 6 or the slide 2 to cause a shift of the focal plane in the Z direction to the extent that this is in the depth position Z2 and thus in the plane X, Y, in which the sample substance 1 to be recorded extends. As soon as this has taken place, a triggering command is transmitted to the camera by the drive unit and an image of the sample substance 1 is taken.
Soll, wie bereits erwähnt, eine Probensubstanz 1 aufgenommen werden, deren laterale Ausdehnung größer ist als das Bildfeld des Abbildungssystems bzw. größer ist als ein unmittelbar mit einem Kamerabild aufnehmbarer Bereich, so ist es notwendig, mehrere sich senk- recht zur optischen Achse 4 des Abbildungssystems erstreckende Bereiche n, n+1 , n+2 usw. der Probensubstanz 1 aufzunehmen und anschließend die Aufnahmen dieser einzelnen Bereiche zu einem Gesamtbild zusammenzufügen. If, as already mentioned, a sample substance 1 is to be taken whose lateral extent is greater than the image field of the imaging system or larger than an area that can be directly absorbed by a camera image, then it is necessary to have several perpendicular to the optical axis 4 of FIG Record imaging system extending areas n, n + 1, n + 2, etc. of the sample substance 1 and then join the shots of these individual areas to form an overall picture.
Diesbezüglich besteht eine sehr vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfah- rens und der erfindungsgemäßen Einrichtung darin, mittels des Probenstrahles 10 des Kurz- kohärenzinterferometers 9 den Tiefenscan in einem Bereich n+1 durchzuführen, die Z- Position der Probensubstanz 1 in diesem Bereich n+1 zu bestimmen und diese Z-Position dem Bereich n+1 zugeordnet zu speichern, während die Kamera noch auf den vorhergehenden Bereich n gerichtet ist und den Bereich n aufnimmt. In this regard, a very advantageous application of the method according to the invention and the device according to the invention is to carry out the depth scan in an area n + 1 by means of the sample beam 10 of the short coherence interferometer 9, the Z position of the sample substance 1 in this area n + 1 and store this Z position assigned to the area n + 1 while the camera is still focused on the previous area n and recording the area n.
Dabei wird die Probensubstanz 1 kontinuierlich unter dem Objektiv 6 in X- und/oder Y- Richtung fortbewegt, und zwar mit einer der Kamerabildwiederholrate entsprechenden Geschwindigkeit, so dass bei der nächsten Bildaufnahme sich der Bereich n+1 im Bildfeld der Kamera befindet, und die diesem Bereich n+1 zugeordnete Z-Position der Probensubstanz 1 bereits angefahren wurde, während schon der Tiefenscan in dem nachfolgend aufzunehmenden Bereich n+2 durchgeführt, die Z-Position der Probensubstanz 1 in dem Bereich n+2 bestimmt, dem Bereich n+2 zugeordnet gespeichert und für die automatische Fokussierung bei der nachfolgenden Aufnahme des Bereiches n+2 bereitgestellt wird. Dieser Ablauf wird fortgesetzt, bis alle Bereiche der Probensubstanz aufgenommen sind. In this case, the sample substance 1 is moved continuously under the objective 6 in the X and / or Y direction, with a speed corresponding to the camera image repetition rate, so that in the next image acquisition the region n + 1 is in the image field of the camera, and the The Z-position of the sample substance 1 assigned to this region n + 1 has already been approached while the depth scan in the region n + 2 to be subsequently recorded already determines the Z-position of the sample substance 1 in the region n + 2, the region n + 2 stored and provided for automatic focusing in the subsequent recording of the area n + 2. This process continues until all areas of the sample substance have been collected.
Zu diesem Zweck ist die erfindungsgemäße mikroskopische Einrichtung so ausgeführt, dass der Probenstrahl 10 des Kurzkohärenzinterferometers 9 au ßerhalb des Bildfeldes der Kame- ra auf die Probensubstanz 1 gerichtet ist. Dies wird erreicht, indem der Probenstrahl 10 unter einem Winkel in das Objektiv 6 eingekoppelt wird. For this purpose, the microscopic device according to the invention is designed such that the sample beam 10 of the short-coherence interferometer 9 is directed outside of the image field of the camera onto the sample substance 1. This is achieved by coupling the sample beam 10 at an angle into the objective 6.
Damit ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst und ein Autofokussystem geschaffen, das im Zusammenhang mit einer mikroskopischen Einrichtung zur Abbildung ins- besondere von Gewebeschnitten eine schnelle und hochgenaue Fokussierung gewährleistet. Thus, the object underlying the invention is achieved and an autofocus system is provided which, in connection with a microscopic device for imaging in particular of tissue sections, ensures fast and highly accurate focusing.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Probensubstanz 1 sample substance
2 Objektträger  2 slides
3 Deckglas 3 coverslip
4 optische Achse 4 optical axis
5 Beleuchtungs- und Abbildungsstrahl gang 5 illumination and imaging beam gang
6 Objektiv  6 lens
7 Tubuslinse  7 tube lens
8 Bildsensor  8 image sensor
9 Kurzkoharenzinterferometer  9 short-coherence interferometer
10 Probenstrahl  10 sample beam
1 1 Strahlteiler  1 1 beam splitter
12, 13,  12, 13,
14, 15 Interferenz 14, 15 interference
I Intensitäten I intensities
Z1 , Z2,  Z1, Z2,
Z3, Z4 Tiefenpositionen Z3, Z4 depth positions

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur automatischen Verschiebung der Fokusebene eines mikroskopischen Abbildungssystems in Z-Richtung entlang der optischen Achse in eine Z-Position, in der sich eine abzubildende Probensubstanz befindet, Method for automatically displacing the focal plane of a microscopic imaging system in the Z direction along the optical axis into a Z position in which a sample substance to be imaged is located,
mit folgenden Verfahrensschritten: with the following process steps:
Ausführen eines Tiefenscans in Z-Richtung durch die Probensubstanz (1 ) hindurch mittels eines Interferometers, wobei  Performing a depth scan in the Z direction through the sample substance (1) through an interferometer, wherein
das von optisch wirksamen Grenzflächen und/oder Strukturen reflektierte oder rückgestreute Licht eines Interferometer-Probenstrahles (10) mit dem Referenzstrahl des Interferometers zur Interferenz gebracht wird, the light of an interferometer sample beam (10) reflected or backscattered by optically effective interfaces and / or structures is brought into interference with the reference beam of the interferometer,
anhand der dabei entstehenden Interferenzsignale eine Bestimmung der Z-Positionen der Grenzflächen und/oder Strukturen der Probensubstanz (1 ) vorgenommen wird, daraus die Z-Position der Probensubstanz (1 ) bestimmt wird, a determination of the Z positions of the interfaces and / or structures of the sample substance (1) is carried out on the basis of the resulting interference signals, from which the Z position of the sample substance (1) is determined,
die Fokusebene und die abzubildende Probensubstanz (1 ) in Z-Richtung relativ zueinander verschoben werden, bis sich die Probensubstanz (1 ) der Fokusebene befindet, und the focus plane and the sample substance to be imaged (1) are displaced relative to one another in the Z direction until the sample substance (1) of the focal plane is located, and
dann die Probensubstanz (1 ) abgebildet wird. then the sample substance (1) is imaged.
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Probensubstanz von einem Objektträger und einem Deckglas eingeschlossen ist, der Tiefenscan mittels eines Kurzkohärenzinterfe- rometers (9) ausgeführt wird und/oder die Probensubstanz (1 ) digital aufgenommen wird. The method of claim 1, wherein the sample substance is enclosed by a slide and a coverslip, the depth scan is performed by means of a Kurzkohärenzinterfe- rometers (9) and / or the sample substance (1) is digitally recorded.
Mikroskopische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der nach der Ausrichtung der Fokusposition auf die aufzunehmende Probensubstanz von der Probensubstanz ausgehende optische Informationen genutzt werden, um die korrekte Fokussierung zu kontrollieren und beizubehalten. Microscopic device according to claim 1 or 2, in which, after the alignment of the focus position on the sample substance to be recorded, optical information originating from the sample substance is used to control and maintain the correct focusing.
Mikroskopische Einrichtung zur Abbildung einer Probensubstanz (1 ), umfassend: ein mikroskopisches Abbildungssystem, und Microscopic device for imaging a sample substance (1), comprising: a microscopic imaging system, and
Mittel zur automatischen Verschiebung der Fokusebene entlang der optischen Achse (4) des Abbildungssystems in eine Z-Position, in der sich die abzubildende Probensubstanz (1 ) befindet,  Means for automatically shifting the focal plane along the optical axis (4) of the imaging system to a Z-position in which the sample substance (1) to be imaged is located,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
ein von einem Interferometer ausgehender Probenstrahl (10) in Z-Richtung durch die Probensubstanz (1 ) hindurch gerichtet ist, die durch Interferenz des von optisch wirksamen Grenzflächen und/oder Strukturen reflektierten oder rückgestreuten Lichtes des Probenstrahles (10) mit dem Referenzstrahl des Interferometers entstehenden Interferenzsignale zur Bestimmung der Z- Position der Probensubstanz (1 ) vorgesehen sind, a sample beam (10) emanating from an interferometer is directed through the sample substance (1) in the Z-direction, the interference signals of the sample beam (10) reflected by optically active interfaces and / or structures and interfering with the reference beam of the interferometer generate interference signals for determining the Z position of the sample substance (1),
eine Auswerteeinrichtung vorhanden ist, ausgebildet zur Bestimmung der Z-Position der Probensubstanz (1 ), an evaluation device is provided, designed to determine the Z position of the sample substance (1),
eine Versteileinrichtung vorgesehen ist, ausgebildet zur Verschiebung der Fokusebene und der Probensubstanz (1 ) relativ zueinander, bis sich die Probensubstanz (1 ) der Fokusebene befindet, und an adjusting device is provided, designed to displace the focal plane and the sample substance (1) relative to one another until the sample substance (1) of the focal plane is located, and
eine mit der Auswerteeinrichtung und der Versteileinrichtung verbundene Ansteuer- einheit vorhanden ist, ausgebildet zum Generieren von Stellbefehlen zur automatischen Verschiebung der Fokusebene in die bestimmte Z-Position, und a drive unit connected to the evaluation device and the adjusting device is present, configured to generate setting commands for automatically shifting the focal plane into the specific Z position, and
eine mit der Ansteuereinheit verbundene Kamera vorhanden ist zur Aufnahme der Probensubstanz (1 ) anschließend an die automatische Fokussierung. a camera connected to the drive unit is provided for receiving the sample substance (1) following the automatic focusing.
Mikroskopische Einrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Strahlengänge des Interferometers durch das Objektiv (6) des Abbildungssystems hindurch gerichtet sind und bildseitig des Objektivs (6) ein Strahlteiler (1 1 ) zur Ein- und Auskopplung der In- terferometerstrahlengänge vorgesehen ist. Microscopic device according to claim 4, in which the beam paths of the interferometer are directed through the objective (6) of the imaging system and on the image side of the objective (6) a beam splitter (1 1) is provided for coupling and decoupling the interferometer beam paths.
Mikroskopische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der für die Interferometerstrahlengange ein geringerer Anteil an der Apertur des Objektivs (6) zur Verfügung gestellt ist als für die Strahlengänge des Abbildungssystems, so dass die laterale Ausdehnung der Fokusebene und die Tiefenschärfe des Fokusbereiches verhältnismäßig groß sind. Microscopic device according to one of Claims 4 or 5, in which a smaller proportion of the aperture of the objective (6) is provided for the interferometer beam path than for the beam paths of the imaging system, so that the lateral extent of the focal plane and the depth of field of the focal region are relatively are big.
Mikroskopische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der zur Erhöhung der Tiefenschärfe des Fokus eine Axiconlinse in das Abbildungssystem eingeordnet ist. Microscopic device according to one of Claims 4 to 6, in which an axicon lens is arranged in the imaging system in order to increase the depth of focus.
Mikroskopische Einrichtung nach Anspruch 4 bis 7, bei der Microscopic device according to claim 4 to 7, wherein
die Aufnahme der Probensubstanz (1 ) mit der Methode Fluoreszenzmikroskopie erfolgt, und the sample substance (1) is recorded by fluorescence microscopy, and
für die Interferometerstrahlengänge Licht mit Wellenlängen im Bereich von 750 nm bis 1600 nm vorgesehen ist. for the interferometer beam paths light with wavelengths in the range of 750 nm to 1600 nm is provided.
Mikroskopische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der als Interfero- meter ein Kurzkohärenzinterferometer (9) vorgesehen ist. Mikroskopische Einrichtung nach Anspruch 9, bei der zur Ermittlung der Z-Positionen das Fourier-Domain-Verfahren vorgesehen ist, wobei die Wiederholrate des Tiefenscans bevorzugt 20 kHz beträgt. Microscopic device according to one of Claims 4 to 8, in which a short-coherence interferometer (9) is provided as the interferometer. Microscopic device according to Claim 9, in which the Fourier domain method is provided for determining the Z positions, wherein the repetition rate of the depth scan is preferably 20 kHz.
Mikroskopische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Probensubstanz von einem Objektträger (2) und einem Deckglas (3) eingeschlossen ist und insbesondere die Ermittlung der Z-Positionen der Objektträgeroberfläche, der Deckglasrückfläche, der Probensubstanz (1 ) und der Deckglasoberfläche vorgesehen ist. Microscopic device according to one of claims 4 to 10, wherein the sample substance of a slide (2) and a cover glass (3) is included and in particular the determination of the Z positions of the slide surface, the cover glass rear surface, the sample substance (1) and the cover glass surface provided is.
Mikroskopische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 1 1 , bei der die Aufnahme der Probensubstanz (1 ) auf einen ortsauflösenden digitalen Bildsensor (8) der Kamera vorgesehen ist. Microscopic device according to one of claims 4 to 11, in which the recording of the sample substance (1) on a spatially resolving digital image sensor (8) of the camera is provided.
Mikroskopische Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, wobei die Aufnahme mehrerer in X- oder Y-Richtung aneinandergereihter Bereiche n, n+1 , n+2, ... der Probensubstanz (1 ) sowie die anschließende Zusammenfügung dieser Aufnahmen zu einem Gesamtbild vorgesehen ist. Microscopic device according to one of claims 4 to 12, wherein the inclusion of a plurality of aligned in the X or Y direction regions n, n + 1, n + 2, ... of the sample substance (1) and the subsequent assembly of these images into an overall image is provided.
Mikroskopische Einrichtung nach Anspruch 13, wobei A microscopic device according to claim 13, wherein
die automatische Bestimmung der Z-Position der Probensubstanz (1 ) in einem Bereich n+1 vorgesehen ist, während der Bereich n aufgenommen wird, the automatic determination of the Z-position of the sample substance (1) is provided in an area n + 1 while the area n is being recorded,
die Verschiebung der Probensubstanz (1 ) relativ zum Objektiv (6) vorgesehen ist, bis sich der Bereich n+1 im Bildfeld für die Aufnahme befindet, the displacement of the sample substance (1) relative to the objective (6) is provided until the area n + 1 is in the image field for the recording,
für den Bereich n+1 die Fokusposition automatisch in die Z-Position der Probensubstanz (1 ) gebracht wird, for the range n + 1, the focus position is automatically brought into the Z position of the sample substance (1),
die automatische Bestimmung der Z-Position der Probensubstanz (1 ) in einem Bereich n+2 vorgesehen ist, während der Bereich n+1 aufgenommen wird, usw. the automatic determination of the Z-position of the sample substance (1) is provided in an area n + 2 while the area n + 1 is being recorded, etc.
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