DD276218A3 - ARRANGEMENT FOR AVOIDING THE VARIABLE OPENING ERROR IN RASTER MICROSCOPES WITH Z-SCAN - Google Patents

ARRANGEMENT FOR AVOIDING THE VARIABLE OPENING ERROR IN RASTER MICROSCOPES WITH Z-SCAN Download PDF

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DD276218A3 DD30140187A DD30140187A DD276218A3 DD 276218 A3 DD276218 A3 DD 276218A3 DD 30140187 A DD30140187 A DD 30140187A DD 30140187 A DD30140187 A DD 30140187A DD 276218 A3 DD276218 A3 DD 276218A3
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Bernhard Groebler
Klaus Freiberg
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Zeiss Jena Veb Carl
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Abstract

Anordnung zur Vermeidung des variablen Oeffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan, die Anwendung in Rastermikroskopen mit konfokalem Strahlengang findet und fuer Durchlicht- und fuer Auflichtverfahren geeignet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, bei der in Abhaengigkeit von einer eingestellten Fokustiefe z1, 2, ...n die entstehenden unterschiedlichen Oeffnungsfehler minimiert werden. Die Aufgabe loest eine erfindungsgemaesse Anordnung dadurch, dass die lichtbuendelerzeugenden und -empfangenden Mittel und/oder mindestens Teile der das Lichtbuendel beeinflussenden optischen Systeme beweglich entlang des Strahlenganges angeordnet sind und diese Mittel mit einer zentralen Steuereinheit ueber eine Stelleinrichtung in Wirkverbindung stehen.Arrangement for avoiding the variable opening error in scanning microscopes with z-scan, which is used in scanning microscopes with a confocal beam path and is suitable for transmitted light and incident light methods. The invention has for its object to provide an arrangement in which, depending on a set focus depth z1, 2, ... n, the resulting different opening errors are minimized. The object is achieved by an arrangement according to the invention in that the light beam generating and receiving means and / or at least parts of the optical systems influencing the light beam are arranged movably along the beam path and these means are in operative connection with a central control unit via an adjusting device.

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan findet Anwendung in Rastermikroskopen mit konfokalem Strahlengang und z-Scan. Sie ist für Durchlicht- und Auflichtverfahren geeignet.The arrangement for avoiding the variable aperture error in scanning microscopes with z-scan is used in scanning microscopes with confocal beam path and z-scan. It is suitable for transmitted and reflected light methods.

Charakterlttlk des bekannten Stande* der TechnikCharacteristics of the known state of the art

Es ist bekannt, daß Lichtrastermikroskope vom konfokalen Typ eine sehr geringe Schärfentiefe haben (US-PS 3013467). Es ist daner möglich, Intensitätskurven in Abhängigkeit von der Fokustiefe ζ im Objekt aufzunehmen, also z-Sranning durchzuführen. Dabei durchdringen im Falle von Durchlichtbeobachtung die beiden Hälften des Lichtbündeldoppelkegels verschiedene Schichtdicken des Objektes. Bei Verwendung von starken Trockenobjektiven oder von Immersionsobjektiven in Verbindung mit Objekten, die nicht genau die geforderte Brechzahl haben, kommt es beim Durchfokussieren zu verschieden starken Öffnungsfehlern in den Hälften des Lichtbündeldoppelkegels. Bei den hohen scheinbaren Aperturen des konfokalen Aufbaus kann dieser Öffnungsfehler nicht unberücksichtigt bleiben, wenn höchste Abbildungsgüte vorlangt wird (Brakenhoff, G. I. et. al in Ash, E.Α., Ed .Scanned image Microscopy", London, 1980).It is known that confocal-type light scanning microscopes have a very shallow depth of field (US Pat. No. 3,013,467). It is then possible to record intensity curves as a function of the depth of focus ζ in the object, ie to perform z-scanning. In the case of transmitted light observation, the two halves of the light beam double cone penetrate different layer thicknesses of the object. When using strong dry lenses or immersion objectives in conjunction with objects that do not exactly have the required refractive index, it comes to the focussing to different strong opening errors in the halves of the light beam double cone. With the high apparent apertures of the confocal design, this aperture error can not be disregarded if highest imaging quality is anticipated (Brakenhoff, G.I. et al., Ash, E.Α., Ed. Scanned Image Microscopy, London, 1980).

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan zu schaffen, die technisch mit geringem Aufwand realisierbar ist.The object of the invention is to provide an arrangement for avoiding the variable opening error in scanning microscopes with z-scan, which is technically feasible with little effort.

Dartagung des Wesens der ErfindungDarting of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan im konfokalon Strahlengang zu schaffen, bei der in Abhängigkeit von einer eingestellten Fokustiefe Zi,j...„ die entstehenden unterschiedlichen Öffnungsfehler durch eine selbsttätige Einrichtung stets minimiert werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan, eine Punktlichtquelle, einen Lichtdetektor mit punktförmiger empfindlicher Fläche und mindestens ein optisches System, zur Erzeugung von zur punktförmigen Lichtquelle optisch konjugierten Fokussen im Objekt und auf der punktförmigen empfindlichen Fläche des Lichtdetektors, sowie Mittel zur Abrasterung des Objektes aufweisend, dadurch gelöst, daß .Tiindestens eines der Elemente Punktlichtquelle, Lichtdetektor und besagtes optisches System beweglich entlang des Strahlenganges angeordnet ist, daß die beweglichen Elemente mit einer zentralen Steuereinheit über eine Stelleinrichtung in Wirkverbindung stehen und daß eine z-Scanstelleinrichtung mit der zentralen Steuereinheit und der Stelleinrichtung verbunden ist.The invention has for its object to provide an arrangement for avoiding the variable aperture error in scanning microscopes with z-scan in the confocal beam path, in which, depending on a set focal depth Zi, j ... "the resulting different opening errors by an automatic device always be minimized. According to the invention by an arrangement for avoiding the variable aperture error in scanning microscopes with z-scan, a point light source, a light detector with point-sensitive surface and at least one optical system, for generating optically conjugate to the point light source focus in the object and on the point-sensitive Surface of the light detector, as well as means for scanning the object having, solved in that .Ti at least one of the elements point light source, light detector and said optical system is movably disposed along the beam path, that the movable elements with a central control unit via an actuating device in operative connection and that a z-scan adjustment device is connected to the central control unit and the adjusting device.

Wird mittels der 7-Scanstelleinrichtung nacheinander eine bestimmte Fokustiefe Z1,2 ...„ im zu betrachtenden Objekt eingestellt, so werden die entlang des Strahlenganges beweglichen Mittel bei jedem Scanschritt jeweils um einen definierten Weg s)t2,...„ verstellt, der so gewählt ist, daß beide Hälften des Lichtbündeldoppelkegels zusammen oder einzeln einen minimalen Öffnungsfehler aufweisen.If a specific focus depth Z 1 , 2 ... Is set successively in the object to be observed by means of the 7-scan adjustment device, then the means movable along the beam path are displaced by a defined path s ) t 2,... which is selected such that both halves of the light beam double cone together or individually have a minimum opening error.

Die Realisierung der Einstellung des Weges s,,2...nerfolgt auf Signal der zentralen Steuereinheit über die Stelleinrichtung, wobei als Stelleinrichtung an sich bekannte, physikalisch wirkende Mittel Anwendung finden. Vorteilhafte erfindungsgemäße Ausführungsformen bestehen darin, daß zur Durchführung vonThe implementation of the setting of the path s ,, 2 ... n is carried out on the signal of the central control unit via the adjusting device, which are used as adjusting device known per se, physically acting means application. Advantageous embodiments of the invention are that for carrying out

• Auflichtmikroskopie oin erstes optisches System und• reflected light microscopy oin first optical system and

• bei Durchlichtmikroskopie ein erstes und oin zweites optisches System angewandt werden,Using first and second optical systems in transmitted light microscopy,

weiterhin darin, daß das erste optische System oder daß das erste und das zweite optische System odei daß die Punktlichtquelle,der Lichtdetektor und mindestens eines der beiden optischen Systeme beweglich angeordnet sind.Further, that the first optical system or that the first and the second optical system odei that the point light source, the light detector and at least one of the two optical systems are arranged to be movable.

Vorteilhaft ist auch, daß nur Teile der baiden optischen Systeme einzeln oder gemeinsam über ein mit ihnen starr verbundenesIt is also advantageous that only parts of the baiden optical systems individually or jointly via a rigidly connected to them Koppelelement bewegbar sind, wobei das Koppelelement mit der Stelleinrichtung verbunden ist.Coupling element are movable, wherein the coupling element is connected to the adjusting device. Dem Wesen der Erfindung entspricht es ferner, wenn vom Lichtdetektor statt des am Ort reflektierten oder des durchs ObjektThe essence of the invention also corresponds to when the light detector instead of the locally reflected or by the object

transmitterten Lichtes Strahlung registriert wird, di.i durch andere optische Wechselwirkungen vom Objekt ausgeht, wie z. B.Transmitted light radiation is registered, di.i by other optical interactions emanating from the object, such. B.

Streuung, Fluoreszenz und Beugung.Scattering, fluorescence and diffraction. AusführungsbeispleleAusführungsbeisplele Die Erfindung wird anhand vor. Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenThe invention is based on before. Drawings explained in more detail. Show it Fig. 1: eine vereinfachte schematischc Darstellung des Strahlenganges eines Rastermikroskopes, mit konfokalemFig. 1: a simplified schematic representation of the beam path of a scanning microscope, with confocal

Strahlengang und z-Scan, mit der erfindungsgemäßen Anordnung, Fig. 1 a: die einstellbare FokustiefeZ|,j...„ im Objekt undBeam path and z-scan, with the inventive arrangement, Fig. 1 a: the adjustable focal depth Z |, j ... "in the object and

Fig. 2 und 3: weitere vorteilhafte Ausführungsformen der in Fig. 1 dargestellten Grundvariante.2 and 3: further advantageous embodiments of the basic variant shown in Fig. 1. Fig. 1 zei^t eine vereinfachte schematische Darstellung des Strahlenganges sowie die Anordnung der wesentlichsten ElementeFig. 1 shows a simplified schematic representation of the beam path and the arrangement of the most essential elements

eines Rastermikroskopes. Das von einer Punktlichtqueiie 1 erzeugte und ausgesandte Lichtbündel I. gelangt nach Passiereneines ersten optischen Systemes 2, welches mindestens aus einer Linse/Linsengruppe besteht, zum Objekt 6. Von dem Objekt 6beeinflußt, ti if ft das Lichtbündel L nach Passieren eines zweiten optischen Systemos 3, welches mindestens aus einer Linse/a scanning microscope. The light beam I generated and emitted by a Punktlichtqueiie 1 passes after passing a first optical system 2, which consists of at least one lens / lens group, the object 6. Affected by the object 6, ti if ft the light beam L after passing through a second optical Systemos third , which consists of at least one lens /

Linsengruppe besteht, auf einen Lichtdetektor 4 mit punktförmiger empfindlicher Fläche auf.Lens group, on a light detector 4 with punctiform sensitive area. Das Objekt 6 wird mittels einer in den Koordinaten x, y und ζ stellbaren Objekthalterung 8 gehalten. Die Objekthalterung 8 ist mitThe object 6 is held by means of an adjustable in the coordinates x, y and Objekt object holder 8. The object holder 8 is with

einer x.y-Scanstelleinrichtung 5 und einer z-Scanstelleinrichtung 9 verbunden.an x.y scan adjustment device 5 and a z-scan adjustment device 9 connected.

Erfindungsgemäß sind das erste und zweite optische System 2 und 3 jeweils mit einer entlang des Strahlenganges beweglichenAccording to the invention, the first and second optical systems 2 and 3 are each movable with one along the beam path Linse/Linsengruppe 11 bzw. 12 versehen. Die Linsen/Linsengruppen 11,12 stehen über eine Stelleinrichtung 10 mit einerLens / lens group 11 and 12 provided. The lenses / lens groups 11, 12 are connected via an adjusting device 10 with a

zentralen Steuereinheit 13 in Wirkverbindung. Die z-Scanstelleinrichtung 9 ist mit d6r zentralen Steuereinheit 13 und mit dercentral control unit 13 in operative connection. The z-scan adjusting device 9 is with d6r central control unit 13 and with the

Steiieinrichtung 1ü verbunden.Steiieinrichtung 1ü connected. In der zentralen Steuereinheit 13 sind Informationen über das Objekt 6, z. B. Schichtdicke und Brechzahl, sowie die BeziehungIn the central control unit 13 information about the object 6, z. B. layer thickness and refractive index, and the relationship

zwischen Änderungsbetrag der Fokustiefe und Änderungsbetrag de* Verstellweges der beweglichen Mittel gespeichert.saved between change amount of focal depth and amount of change de * adjustment path of the moving means.

Wird mittels der z-Scanverstelleinrichtung 9, ausgehend von einem Signal der zentralen Steuereinheit 13, nacheinander eineIs by means of the z-Scanverstelleinrichtung 9, starting from a signal of the central control unit 13, one after the other

bestimmte Fokustiefe Zi. }....„, siehe Figur 1 a, im zu betrachtenden Objekt 6 eingestellt, so werden die entlang des Strahlengangesbeweglichen Mittel bei jedem Scanschritt ζ jeweils um einen definierten Weg S1, j ..„ verstellt, der so gewählt ist, daß die erstecertain focus depth Zi.}... ", see FIG. 1a, in the object 6 to be viewed, the means movable along the beam path are adjusted by a defined path S 1 , j it is chosen that the first

Hälfte 14 und die zweite Hälfte 16 des Lichtbündeldoppelkegel» einen minimalen Öffnungsfehler aufweisen.Half 14 and the second half 16 of the Lichtbündeldoppelkegel »have a minimum opening error. Der Lichtdetektor 4 liefert ein Signal, von dom die Intensität I (x, y) auf einem Display 7 abgeleitet wird. Das Display 7 ist mit denThe light detector 4 supplies a signal from which the intensity I (x, y) is derived on a display 7. The display 7 is with the Elementen 4,5 und 13 verbunden.Elements 4,5 and 13 connected. Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die einzelnen Teile des ersten undFigure 2 shows an advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, in which the individual parts of the first and

des zweiten optischen Systems 2 und 3 gleichermaßen ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform erfolgt die Verstellung derof the second optical system 2 and 3 are equally formed. In this embodiment, the adjustment of the

Linsen/Linsengruppen 11 und 12 gleichsinnig. Die Linsen/Linsengruppen 11 und 12 sind durch ein Koppelelement 16Lens / lens groups 11 and 12 in the same direction. The lenses / lens groups 11 and 12 are connected by a coupling element 16

miteinander verbunden.connected with each other.

In Figur 3 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die Punktlichtquelle 1FIG. 3 shows a further advantageous embodiment of the arrangement according to the invention. The point light source 1

und/oder der Lichtdetektor 4 sind Doweglich entlang des Strahlengangos angeordnet. Bei dieser Ausführungsform sind dieand / or the light detector 4 are arranged Doweglich along the Strahlengangos. In this embodiment, the

Verschiebewege der beweglichen Mittel 1,4 größer als in den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2, die erforderlichenDisplacement paths of the movable means 1,4 greater than in the embodiments of FIGS. 1 and 2, the required Führungsgenauigkeiten der nicht dargestellten Bewegungsmittel werden jedoch kleiner, wodurch der technischeHowever, leadership accuracies of the moving means, not shown, are smaller, causing the technical Realisierungsaufwand sinkt.Implementation effort drops.

Claims (9)

1. Anordnung zur Vermeidung des variablen Öffnungsfehlers in Rastermikroskopen mit z-Scan, eine Punktlichtquelle, einen Lichtdetektor mit punktfcrmiger empfindlicher Fläche und mindestens ein optisches System, zur Erzeugung von zur punktförmigen Lichtquelle optisch konjugierten Fokussen im Objekt und auf der punktförmigen empfindlichen Fläche des Lichtdetektors, sowie Mittel zur Abrasterung des Objektes aufweisend, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens eines der Elemente Punktlichtquelle (1), Lichtdetektor (4) und he-sagtas optisches System beweglich entlang des Strahlenganges angeordnet ist, daß die beweglichen Elemente mit einer zentralen Steuereinheit (13) über eine Stelleinrichtung (10) in Wirkverbindung stehen und daß eine z-Scanstelleinrichtung (9) mit der zentralen Steuereinheit (13) und der Stelleinrichtung (10) verbunden ist.1. Arrangement for avoiding the variable aperture error in z-scan scanning microscopes, a point light source, a punctiform sensitive area light detector and at least one optical system, for producing optically conjugate focuses in the object and on the punctiform sensitive area of the light detector, and means for scanning the object, characterized in that at least one of the elements point light source (1), light detector (4) and he-says the optical system is movably arranged along the beam path, that the movable elements with a central control unit (13) via an adjusting device (10) are in operative connection and that a z-scan adjusting device (9) with the central control unit (13) and the adjusting device (10) is connected. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das besagte optische System ein erstes optisches System (2) ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that said optical system is a first optical system (2). 3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das besagte optische System aus einem ersten optischen System (2) und einem zweiten optischen System (3) besteht.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that said optical system consists of a first optical system (2) and a second optical system (3). 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Punktlichtquelle (1) und der Lichtdetektor (4) beweglich angeordnot sind.4. Arrangement according to one of claims 2 and 3, characterized in that the point light source (1) and the light detector (4) are movably angeordnot. 5. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das erste optische System (2) beweglich angeordnet ist.5. Arrangement according to claim 2, characterized in that the first optical system (2) is arranged to be movable. 6. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß das erste optische System (2) und das zweite optische System (3) beweglich angeordnet sind.6. Arrangement according to claim 3, characterized in that the first optical system (2) and the second optical system (3) are arranged to be movable. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Punktlichtquelle (1), der Lichtdetektor (4) und mindestens eines der optischen Systeme (2,3) beweglich angeordnet sind.7. Arrangement according to one of claims 2 and 3, characterized in that the point light source (1), the light detector (4) and at least one of the optical systems (2,3) are arranged to be movable. 8. Anordnung nach Anspruch 5,6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Teile (8,11,12) der optischen Systeme (2,3) beweglich angeordnet sind.8. Arrangement according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the parts (8,11,12) of the optical systems (2,3) are arranged to be movable. 9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß eine Linse/Linsengruppe 11 und eine Linse/Linsengruppe (12) durch ein Koppelelement (16) miteinander starr verbunden sind und ''aß das Koppelelement (16) mit der Stelleinrichtung (10) in Wirkverbindung steht.9. Arrangement according to claim 8, characterized in that a lens / lens group 11 and a lens / lens group (12) by a coupling element (16) are rigidly interconnected and '' ate the coupling element (16) with the adjusting device (10) in Active compound is.
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