DD253093B1

DD253093B1 - OPTICAL SYSTEM FOR A HIGH DEFLECTIVE LIGHT TRASTER MICROSCOPE

Info

Publication number: DD253093B1
Application number: DD29483886A
Authority: DD
Inventors: Frank E Hoehne; Fritz Kuhlmann; Wolfgang Schuett
Original assignee: Univ Rostock
Priority date: 1986-10-01
Filing date: 1986-10-01
Publication date: 1989-03-15
Also published as: DD253093A1

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein optisches System für ein hochauflösendes Lichtrastermikroskop, das die Untersuchung von mikroskopischen Präparaten mit extrem hoher Auflösung gestattet.The invention relates to an optical system for a high-resolution light scanning microscope, which allows the examination of microscopic preparations with extremely high resolution.

Characterization of the known prior art

Lichtrastermikroskope mit und ohne Laser sind bekannt, seine Schlüsselelemente sind neben den Lasern elektromechanische Scanner, d. h. hochpräzise Spiegel-Galvanometer, deren Positioniergenauigkeit und Reproduzierbarkeit einen Bildaufbau von 512 χ 512 Bildpunkten (optimal 1024 χ 1024) erlaubt, sowie Mikroskopie-Objektive, die den Laserstrahl zu einem beugungsbegrenzten Fleck auf dem Objekt fokussieren (Wilke, V., Feinwerktechnik & Meßtechnik 94 [1986/2], S. 103/104). In der GB-PS 1595422 (G 02 B 21/00) ist ein Lichtrastermikroskop beschrieben, bei dem das zu untersuchende Objekt rasterförmig durch einen feststehenden Lichtfokus hindurch bewegt wird. Die vom Objekt ausgehende Strahlung wird dabei mittels einer Optik auf einen Punktdetektor fokussiert. Mit einer solchen konfokalen Anordnung läßt sich dabei eine höhere Auflösung als in der herkömmlichen Lichtmikroskopie erreichen.Light scanning microscopes with and without laser are known, its key elements are in addition to the lasers electromechanical scanner, d. H. high-precision mirror galvanometers whose positioning accuracy and reproducibility allow a screen layout of 512 χ 512 pixels (optimally 1024 χ 1024), as well as microscopy lenses that focus the laser beam to a diffraction-limited spot on the object (Wilke, V., Feinwerktechnik & Meßtechnik 94 [1986/2], p. 103/104). In GB-PS 1595422 (G 02 B 21/00), a light scanning microscope is described in which the object to be examined is moved in a grid pattern through a fixed light focus. The radiation emanating from the object is thereby focused on a point detector by means of optics. With such a confocal arrangement can thereby achieve a higher resolution than in conventional light microscopy.

In der DE-OS 3447467 (A 1 /G 02 B 36/10) ist ein Laser-Abtastmikroskop beschrieben, bei dem die zellenförmige Abtastung durch die Bewegung der Objektivlinse vorgenommen wird.In DE-OS 3447467 (A 1 / G 02 B 36/10) a laser scanning microscope is described, in which the cell-shaped scanning is performed by the movement of the objective lens.

Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß zwei Objektpunkte, die dichter als ein Abstand liegen, bei dem die Lichtverteilung in der Bildebene, die Punktbildverwaschungsfunktion, nur noch ein gemeinsames Maximum hat, nicht mehr aufgelöst werden können.The disadvantage of this method is that two object points that are closer than a distance at which the light distribution in the image plane, the point spread image function, only a common maximum, can not be resolved.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein optisches System für ein hochauflösendes Lichtrastermikroskop zu entwickeln, mit der noch zwei Objektpunkte aufgelöst werden können, deren Abstand unter dem liegt, bei dem die Lichtverteilung in der Bildebene nur noch ein gemeinsames Maximum hat.The object of the invention is to develop an optical system for a high-resolution light scanning microscope, with the two object points can still be resolved, the distance is below that at which the light distribution in the image plane only has a common maximum.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein adaptierbares optisches System für ein hochauflösendes Lichtrastermikroskop, bestehend aus ei пег Anordnung einer kohärent strahlenden Lichtquelle, vorzugsweise einem Laser, einer Aufweitungsoptik und Sammellinse, einer Lochblende und einer Linse, mit der das von der Lochblende durchgelassene Licht auf das elektro-mechanisch gerasterte Objekt abgebildet wird, und einer optischen Vorrichtung, die das vom Objekt durchgelassene oder remittierte Licht in deren Bildebene abbildet, das eine für die Lichtrastermikroskopie extremale Auflösung gestattet, zu schaffen.The invention is based on the object, an adaptable optical system for a high-resolution light scanning microscope, consisting of ei пег arrangement of a coherently radiating light source, preferably a laser, an expansion lens and converging lens, a pinhole and a lens, with the transmitted light from the pinhole on the electro-mechanically screened object is imaged, and an optical device which images the light transmitted or remitted by the object in its image plane, which permits an extreme resolution for light scanning microscopy.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß hinter der Bildebene eine Fourier-Optik in das optische System eingebracht wird, in deren Fourier-Ebene das fouriertransformierte Bild des punktförmig bestrahlten Objektbereichs multipliziertThe object is achieved in that behind the image plane, a Fourier optics is introduced into the optical system, multiplied in the Fourier plane of the Fourier transform image of the punctiform irradiated object area

mit der fouriertransformierten Punktbildverwaschungsfunktion entsteht. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß in dieser Fourierebene ein geeignetes Filter angebracht wird, das im wesentlichen die reziproke Punktbildverwaschungsfunktion simuliert. Nach anschließender Rücktransformation mittels einer weiteren Fourieroptik wird das gefilterte Bild des punktförmig beleuchteten Objektbereichs mit einer an sich bekannten Bildaufnahmevorrichtung aufgenommen. Dadurch wird erreicht, daß die im wesentlichen durch das Faltungsintegral der Objektfunktion und der Punktbildverwaschungsfunktion des Gesamtsystems bestimmte Lichtverteilung in der Bildebene auch für eng benachbarte Objektpunkte derart entfaltet wird, daß selbst für Intensitätsverteilungen mit nur einem zentralen Maximum noch eine Auflösung möglich wird. Der Vorteil eines erfindungsgemäß mit einem adaptierbaren optischen System ausgerüsteten Lichtrastermikroskopes gegenüber den bisher bekannten Lichtrastermikroskopen besteht darin, hiermit submikroskopische Strukturen auflösen zu können.arises with the Fourier transformed point spread image function. A further feature of the invention is that in this Fourier plane a suitable filter is applied, which essentially simulates the reciprocal point image bleaching function. After subsequent back transformation by means of a further Fourier optics, the filtered image of the point-like illuminated object region is recorded with a known image recording device. It is thereby achieved that the light distribution in the image plane, which is essentially determined by the convolution integral of the object function and the point image blurring function of the overall system, is also developed for closely adjacent object points in such a way that resolution is possible even for intensity distributions with only one central maximum. The advantage of a light-scanning microscope equipped according to the invention with an adaptable optical system compared to the light-scanning microscopes known hitherto is that it enables dissolving submicroscopic structures.

embodiment

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:Based on two embodiments, the invention will be explained in more detail. Show it:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsanordnung für das Lichtrastermikroskop in Durchlicht Fig. 2: eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform für das Lichtrastermikroskop in Auf licht.Fig. 1: a schematic representation of a possible embodiment of the light scanning microscope in transmitted light Fig. 2: a schematic representation of another embodiment of the light scanning microscope in on light.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird das von einer Lichtquelle !,vorzugsweise einem Laser, erzeugte Licht von einer Aufweitungsoptik 2 und einer anschließenden Sammellinse 3 auf eine Lochblende 4 fokussiert. Mit der Linse 5 wird das durch die Lochblende 4 hindurchgelassene Licht auf das zu untersuchende Objekt 6 fokussiert. Das'Objekt 6 ist mit einer elektromechanischen Rastereinheit 16 derart mechanisch verbunden, daß das Objekt, von einem Steuerrechner 14 elektronisch gesteuert, rasterförmig durch den Lichtfokus der Linse 5 hindurch bewegt werden kann. Mit einer weiteren Linse 7 wird das Bild des mit dem Lichtfokus durchstrahlten Objektes in die Bildebene 8 abgebildet. Hinter der Bildebene 8 ist zum Zwecke der Fouriertransformation eine Fourier-Transformationsoptik 9 angeordnet, in deren Fourier-Ebene ein Filter 10 vorzugsweise ein Vander-Lugt-Filter, angebracht ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the light generated by a light source I, preferably a laser, is focused by a widening lens 2 and a subsequent converging lens 3 onto a pinhole 4. With the lens 5, the light transmitted through the pinhole 4 light is focused on the object to be examined 6. The object 6 is mechanically connected to an electromechanical raster unit 16 in such a way that the object, controlled electronically by a control computer 14, can be moved in a raster pattern through the light focus of the lens 5. With another lens 7, the image of the irradiated with the light focus object is imaged in the image plane 8. Behind the image plane 8, a Fourier transformation optical system 9 is arranged for the purpose of Fourier transformation, in whose Fourier plane a filter 10, preferably a Vander-Lugt filter, is mounted.

Hinter dem Filter 10 ist eine weitere Fourier-Transformationsoptik 11 angeordnet, in deren Fourier-Ebene das rücktransformierte Bild des vom Lichtfokus durchstrahlten Objektbereiches entsteht. Mit einer an sich bekannten elektronischen Bildaufnahmevorrichtung 12 wird das gefilterte Bild in eine Bildspeichervorrichtung 13 abgespeichert. Zum Zwecke der Weiterverarbeitung des Bildes ist die Bildspeichervorrichtung 13 mit dem Steuerrechner 14 und zur Darstellung des gesamten abgerasterten Objektes mit dem Monitor 15 verbunden.Behind the filter 10, a further Fourier transformation optics 11 is arranged, in the Fourier plane of which the back-transformed image of the object area illuminated by the light focus is formed. With a known per se electronic image pickup device 12, the filtered image is stored in an image memory device 13. For the purpose of further processing the image, the image storage device 13 is connected to the control computer 14 and to the display of the entire scanned object with the monitor 15.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird das von einer Lichtquelle !',vorzugsweise einem Laser, erzeugte Licht von einer Aufweitungsoptik 2' und einer anschließenden Sammellinse 3' auf eine Lochblende 4' fokussiert. Mit der Linse 5' wird das durch die Lochblende 4' hindurchgelassene Licht auf das zu untersuchende Objekt 6' fokussiert. Das Objekt ist mit einer elektromechanischen Rastereinheit 16'derart mechanisch verbunden, daß das Objekt, von einem Steuerrechner 14'elektronisch gesteuert, rasterförmig durch den Lichtfokus der Linse 5' hindurch bewegt werden kann.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the light generated by a light source 1 ', preferably a laser, is focused by a widening lens 2' and a subsequent converging lens 3 'onto a pinhole 4'. With the lens 5 ', the light transmitted through the pinhole 4' is focused on the object 6 'to be examined. The object is mechanically connected to an electromechanical raster unit 16 'in such a way that the object can be electronically controlled by a control computer 14' in a grid-shaped manner through the light focus of the lens 5 '.

Vor dem Objekt 6' ist ein Teilerspiegel 17 angeordnet, mit dem das vom Objekt remittierte Licht auf eine Linse 7' abgelenkt wird. Mit der Linse T wird das Bild des mit dem Lichtfokus bestrahlten Objektes in die Bildebene 8' abgebildet. Hinter der Bildebene 8' ist zum Zwecke der Fouriertransformation eine Fourier-Transformationsoptik 9' angeordnet, in deren Fourier-Ebene ein Filter 10', vorzugsweise ein Vander-Lugt-Filter, angebracht ist.In front of the object 6 'a divider mirror 17 is arranged, with which the light reflected by the object is deflected onto a lens 7'. With the lens T , the image of the irradiated with the light focus object is imaged in the image plane 8 '. Behind the image plane 8 ', a Fourier transformation optics 9' is arranged for the purpose of Fourier transformation, in whose Fourier plane a filter 10 ', preferably a Vander-Lugt filter, is mounted.

Hinter dem Filter 10' ist eine weitere Fourier-Transformationsoptik 11' angeordnet, in deren Fourier-Ebene das rücktransformierte Bild des vom Lichtfokus bestrahlten Objektbereiches entsteht. Mit einer an sich bekannten elektronischen Bildaufnahmevorrichtung 12' wird das gefilterte Bild in eine Bildspeichervorrichtung 13' abgespeichert. Zum Zwecke der Weiterverarbeitung des Bildes ist die Bildspeichervorrichtung 13' mit dem Steuerrechner 14' und zur Darstellung des gesamten abgerasterten Objektes mit dem Monitor 15' verbunden.Behind the filter 10 ', a further Fourier transformation optics 11' is arranged, in the Fourier plane of which the back-transformed image of the object region irradiated by the light focus is produced. With a per se known electronic image pickup device 12 ', the filtered image is stored in an image memory device 13'. For the purpose of further processing the image, the image storage device 13 'is connected to the control computer 14' and to the display of the entire scanned object with the monitor 15 '.

In Betracht gezogene Druckschriften:Documents considered:

DE-OS 3447467 (G 02 B, 26/10)DE-OS 3447467 (G 02 B, 26/10)

Z. „Feinwerktechnik & Meßtechnik" 9 (1986) 2, Seiten 103 + 104Z. "Precision Engineering & Measurement" 9 (1986) 2, pages 103 + 104

Claims

1. An optical system for a high-resolution light scanning microscope, consisting of a coherently radiating light source, preferably a laser from which the outgoing light by means of an expansion lens and a converging lens arranged on a pinhole lens, with the light passing through the pinhole light on the behind the lens arranged object to be examined, which is mechanically connected to an electromechanical scanning unit is focused, and arranged behind the object another lens, with which the light passing through the object is focused in the image plane and in which both an image pickup device with an electronic image storage device Also, the electronic image storage device and the electromechanical raster unit are electrically connected to a control computer, wherein for the purpose of image display on the control computer with image information of the image memory acted upon monitor we uses d, characterized in that arranged behind the image plane (8) consists of a Fourier transform optics (9) and a Fourier transform optics (11) existing optical system and in the Fourier plane of the Fourier transform optics (9) a filter (10 ) is provided.

2. An optical system according to claim 1, characterized in that the filters (10) are a high-pass filter, preferably a ring diaphragm.

The optical system according to claims 1 and 2, characterized in that the filters (10) are Vander-Lugt filters which simulate the reciprocal dot image spread function of the optical system.