DE102005040827A1 - Method of automatic compensating for color errors in a microscope imaging optics, especially in a fluorescence microscope, has test probe and calibration to produce a look-up table for individual wavelengths - Google Patents

Method of automatic compensating for color errors in a microscope imaging optics, especially in a fluorescence microscope, has test probe and calibration to produce a look-up table for individual wavelengths Download PDF

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Abstract

A method of automatic compensation of color linear errors in the imaging optics of a microscope, especially a fluorescence microscope, for correcting remaining errors comprises a test probe and calibration before the image. In a first stage the optical configuration to be calibrated is chosen, the calibration probe is inserted and in a further stage the illuminating wavelength is chosen. Finally, and preferably with an autofocus with monochromatic light the values for the individual wavelengths are stored in a look-up table.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Kompensation des Farblängsfehlers der Abbildungsoptik eines Mikroskops, das insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie zur Korrektur des verbleibenden Farblängsfehlers der Abbildungsoptik einsetzbar ist.The The invention relates to a method for automatic compensation the color longitudinal error the imaging optics of a microscope, especially in fluorescence microscopy can be used to correct the remaining longitudinal chromatic aberration of the imaging optics is.

Bekannt ist, dass bei den konventionellen Mikroskopen, bei denen in der Fluoreszenzmikroskopie die Fluoreszenzsignale verschiedener Farbstoffe einer Probe nacheinander mit einer monochromen Kamera aufgenommen werden und zwischen den einzelnen Bildern bei verschiedenen Farben nicht nachfokussiert wird man eine Unschärfe in den Bildern erhält, die bei einer Überlagerung der Einzelbilder zu einem unscharfen Gesamteindruck führt. Grund dafür ist der Farblängsfehler der Abbildungsoptik, der zu einer Tiefendifferenz zwischen den Fokusebenen für verschiedene Wellenlängen führt. Aus der DE 41 28 506 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers bekannt, das gewährleistet, dass unabhängig von der zur Messung ausgewählten Spektrallinie stets an derselben ausgewählten Stelle des Objektes gemessen wird, indem optische Elemente rechnergestützt in dem Beobachtungs- und/oder Beleuchtungsstrahlengang in Abhängigkeit von der am Monochromator eingestellten Wellenlänge rechnergestützt so verschoben werden, dass durch die chromatische Längsaberration dieser Elemente entstehende Fehler korrigiert werden. Aus der DE 101 56 506 C1 ist weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes und ein Mikroskop bekannt, bei dem die beiden wellenlängenspezifischen Abbildungen zu einem mehrfarbigen und auf einem Display darstellbaren Bild überlagert werden und der Abstand der zu den beiden Wellenlängen gehörenden Fokalebenen durch eine Referenzmessung ermittelt wird. Aus der DE 103 34 162 A1 ist weiterhin eine Anordnung zur Korrektur von Farbfehlern in optischen Systemen, insbesondere in UV-Optiken, bekannt, mit der der Farbfehler des Objektivs in einem Hilfswellenlängenbereich weitgehend kompensiert und dem Objektiv dadurch ein farbkorrigiertes Bild zur Verfügung gestellt wird.It is known that in conventional microscopes, in which the fluorescence signals of different dyes of a sample are successively recorded with a monochrome camera in fluorescence microscopy and refocused between the individual images at different colors one obtains a blur in the images, in an overlay the individual pictures leads to a blurred overall impression. The reason for this is the color longitudinal error of the imaging optics, which leads to a depth difference between the focal planes for different wavelengths. From the DE 41 28 506 A1 a method for operating a spectrometer is known which ensures that, regardless of the spectral line selected for the measurement is always measured at the same selected location of the object by computer-assisted optical elements in the observation and / or illumination beam path as a function of the set wavelength at the monochromator computer-aided shift so that errors caused by the chromatic longitudinal aberration of these elements are corrected. From the DE 101 56 506 C1 Furthermore, a method for generating a multicolor image and a microscope is known, in which the two wavelength-specific images are superimposed to form a multi-color displayable image on a display and the distance between the focal planes belonging to the two wavelengths is determined by a reference measurement. From the DE 103 34 162 A1 Furthermore, an arrangement for correcting chromatic aberrations in optical systems, in particular in UV optics, known, with which the color aberration of the lens in an auxiliary wavelength range largely compensated and the lens thereby a color-corrected image is provided.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur automatische Kompensation des Farblängsfehlers der Abbildungsoptik eines Mikroskops, insbesondere für die Fluoreszenzmikroskopie, zu schaffen.The The object of the invention is a method for automatic Compensation of color longitudinal error the imaging optics of a microscope, in particular for fluorescence microscopy, too create.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass vor der Bildaufnahme einer zu untersuchenden Probe zunächst eine Kalibrierung der Abbildungsoptik hinsichtlich des Farblängsfehlers mit einer Kalibrierprobe vorgenommen wird, indem in einem ersten Verfahrensschritt die zu kalibrierenden Optikkonfiguration ausgewählt wird, dass in einem zweiten Verfahrensschritt die Kalibrierprobe eingelegt wird,
dass in einem anschließenden Verfahrensschritt die Beleuchtungswellenlänge ausgewählt wird und
dass abschließend mit einem Autofokus mit monochromer Beleuchtung eine Speicherung des n-ten z-Werts für die einzelnen Wellenlängen in Form einer Wertetabelle (Look up table, LUT) durchgeführt wird.
This object is achieved by a method, which is characterized in that prior to image acquisition of a sample to be examined, a calibration of the imaging optical system with respect to the longitudinal chromatic aberration with a calibration sample is made by the calibrated optical configuration is selected in a first step, that in one second step, the calibration sample is inserted,
that in a subsequent method step, the illumination wavelength is selected and
Finally, an autofocus with monochromatic illumination is used to store the n-th z-value for the individual wavelengths in the form of a look-up table (LUT).

Nach der Kalibrierung wird anschließend für jede Optikkonfiguration eine Eichkurve für den Farblängsfehler aus der Wertetabelle erstellt, die den Farblängsfehler der Abbildungsoptik in z-Richtung aufzeigt. Die Eichkurve wird in einen Rechner eingelesen, um in Verbindung mit einem Hardwareautofokus des Mikroskopsystems bei Bedarf automatisch nachzufokussieren.To the calibration will follow for every Optic configuration A calibration curve for the longitudinal color error from the table of values created the color longitudinal error the imaging optics in z-direction shows. The calibration curve is in read in a calculator in conjunction with a hardware autofocus automatically refocus the microscope system as needed.

In weiteren Verfahrensschritten wird dann durch eine Verstellung in z-Richtung für ausgewählte Wellenlängen eine Bildaufnahme durchgeführt, bei der man n-Farben erhält, die über die Eichkurve abgefragt werden.In Further procedural steps will then be achieved by an adjustment in z direction for selected wavelengths one Image acquisition performed, where you get n colors, the above the calibration curve is queried.

Abschließend erhält man in einem letzten Verfahrensschritt durch eine Überlagerung der n Einzelbilder analog oder digital ein Bild mit verschiedenen Farben ohne Nachfokussierung über einen Softwareautofokus.Finally, you get in a last method step by superimposing the n individual images analog or digital a picture with different colors without refocusing on a Software autofocus.

Die Kalibrierprobe ist vorzugsweise ein Stufenpräparat, beispielsweise ein Gitter mit Bereichen, die hochtransparent sind und mit Bereichen, die für sichtbares Licht undurchlässig sind. Die Beleuchtungswellenlänge kann so gewählt werden, dass monochromes Licht oder eine Bande des sichtbaren Lichtes verwendet wird.The Calibration sample is preferably a step preparation, for example a grid with areas that are highly transparent and with areas that are visible Light impermeable are. The illumination wavelength can be chosen like that be that monochrome light or a band of visible light is used.

Wesentlich ist an dem neuen Verfahren zur automatischen Kompensation des Farblängsfehlers, dass eine Nachfokussierung über einen Softwareautofokus nicht mehr stattfindet, sondern dass durch die vor der eigentlichen Bildaufnahme vorgenommene Kalibrierung der Abbildungsoptik mittels einer Kalibrierprobe und einen Autofokus mit monochromer Beleuchtung hinsichtlich des Farblängsfehlers das Scharfeinstellen für die einzelnen Farben nicht mehr gemessen werden muss, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Kompensation des Farblängsfehlers, bei denen vorher für ein Objektiv die Eichkurve ermittelt und dann die einzelnen Farben gemessen werden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer verminderten Probenbelastung. Ist die Eichkurve genügend genau bestimmbar, kann damit auch das optische System für spezielle Objektive, die überwiegend für monochrome Aufnahmen benutzt werden, entlastet werden, da die Korrektur durch die andere Hard- und Software des Mikroskopsystems vorgenommen wird.Essential is the new method for automatic compensation of the longitudinal chromatic aberration that a Refocusing over a software autofocus no longer takes place, but that through the calibration made before the actual image acquisition the imaging optics by means of a calibration sample and an autofocus with monochrome illumination in terms of color longitudinal error the focusing for the individual colors no longer need to be measured, in contrast to the known methods for compensation of the longitudinal chromatic aberration, where previously for a lens determines the calibration curve and then the individual colors must be measured. The inventive method leads to a reduced sample load. Is the calibration curve sufficiently accurate? determinable, so can the optical system for special Lenses that are predominantly for monochrome Recordings are used, be relieved, as the correction by the other hardware and software of the microscope system is made.

Dieses neue Verfahren zur automatischen Kompensation des Farblängsfehlers für die Fluoreszenzmikroskopie eignet sich auch für den Einsatz in Systemen, bei denen von Hand eine Verstellung in z-Richtung für ausgewählte Wellenlängen zwischen den verschiedenfarbigen Fluoreszenzaufnahmen durchgeführt wird, aber nicht für den Einsatz bei paralleler Mehrkanaldetektion von Fluoreszenzfarbstoffen oder für mehrfarbige Hellfeldaufnahmen.This new methods for automatic compensation of color longitudinal error for the Fluorescence microscopy is also suitable for use in systems in which by hand an adjustment in the z direction for selected wavelengths between the different colored fluorescence images is performed, but not for the use in parallel multichannel detection of fluorescent dyes or for multicolored brightfield shots.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in Ablaufdiagrammen dargestellten Verfahrens näher erläutert.The The invention will be described below with reference to a schematic in flow charts illustrated method closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine schematische Darstellung des Farblängsfehlers einer Abbildungsoptik in z-Richtung für verschiedene Wellenlängen; 1 a schematic representation of the longitudinal chromatic aberration of imaging optics in the z direction for different wavelengths;

2 ein Ablaufdiagramm mit den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten zur Kalibrierung; 2 a flowchart with the inventive steps for calibration;

3 ein Ablaufdiagramm des gesamten Verfahrens zur Bildaufnahme von beliebigen Proben. 3 a flow chart of the entire method for image acquisition of any sample.

1 zeigt eine Abbildungsoptik 1, bei der bei Lage eines Objektes in einer Objektebene 2 in z-Richtung aufgrund des Farblängsfehlers das Bild für unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Bildebenen entsteht, Bild 3 bei blauem Licht, Bild 4 bei grünem Licht und Bild 5 bei rotem Licht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Farblängsfehlers der Abbildungsoptik 1 eines nicht näher dargestellten Mikroskops, das insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie zur Korrektur des verbleibenden Farblängsfehlers einer Abbildungsoptik einsetzbar ist, automatisch kompensiert. 1 shows an imaging optics 1 when placing an object in an object plane 2 in z-direction due to the longitudinal chromatic aberration the image for different wavelengths in different image planes arises, image 3 in blue light, picture 4 in green light and picture 5 in red light. By the method according to the invention the color longitudinal error of the imaging optics 1 a microscope, not shown, which can be used in particular in fluorescence microscopy to correct the remaining longitudinal chromatic aberration of an imaging optics, automatically compensated.

2 zeigt in einem Ablaufdiagramm die neuen Verfahrensschritte zur Kalibrierung einer Abbildungsoptik 1 für die Fluoreszenzmikroskopie hinsichtlich der automatischen Korrektur des Farblängsfehlers vor der eigentlichen Bildaufnahme von beliebigen Proben. Die Kalibrierung erfolgt dabei mit einer Kalibrierprobe für alle weiteren beliebigen Proben, wobei diese Kalibrierprobe spezielle Eigenschaften aufweisen muss, d.h. alle Farben der Kalibrierprobe müssen innerhalb der Schärfentiefe des Objektivs liegen. Die Messung erfolgt mit einem Autofokussystem mit monochromer Beleuchtung, wobei die Beleuchtungswellenlänge so gewählt wird, dass monochromes Licht oder eine Bande des sichtbaren Lichtes verwendet wird. 2 shows in a flow chart the new process steps for calibrating an imaging optics 1 for fluorescence microscopy with regard to the automatic correction of the longitudinal chromatic aberration before the actual image acquisition of any samples. The calibration is carried out with a calibration sample for all other arbitrary samples, this calibration sample must have special properties, ie all colors of the calibration sample must be within the depth of field of the lens. The measurement is made with an autofocus system with monochrome illumination, the illumination wavelength being chosen to use monochrome light or a band of visible light.

Vor der Bildaufnahme einer Probe wird zunächst eine Kalibrierung der Abbildungsoptik 1 hinsichtlich des Farblängsfehlers durchgeführt, indem in einem ersten Verfahrensschritt die zu kalibrierende Optikkonfiguration ausgewählt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Kalibrierprobe eingelegt. Die Kalibrierprobe ist vorzugsweise ein Stufenpräparat, beispielweise ein Gitter mit Bereichen, die hochtransparent sind, und mit Bereichen, die durchlässig sind für sichtbares Licht.Before the image acquisition of a sample, first a calibration of the imaging optics 1 with respect to the longitudinal chromatic aberration, by selecting the optical configuration to be calibrated in a first method step. In a second process step, the calibration sample is inserted. The calibration sample is preferably a step preparation, for example a grid with areas that are highly transparent and with areas that are transparent to visible light.

In einem anschließenden Verfahrensschritt wird die Beleuchtungswellenlänge ausgewählt. Die Beleuchtungswellenlänge kann so gewählt werden, dass monochromes Licht oder eine Bande des sichtbaren Lichts verwendet wird. In einem abschließenden Verfahrensschritt erfolgt mit einem Autofokus mit einer monochromen Beleuchtung eine Speicherung des n-ten z- Werts für die einzelnen Wellenlängen in Form einer Wertetabelle (Look up table-LUT).In a subsequent Process step, the illumination wavelength is selected. The illumination wavelength can so chosen be that monochrome light or a band of visible light is used. In a final process step takes place with an autofocus with a monochrome lighting a storage of the nth z-value for the individual wavelength in the form of a look-up table (LUT).

Nach dem Abschluss der Kalibrierung beginnt die Bildaufnahme von beliebigen Proben entsprechend dem in 3 dargestellten Ablaufdiagramm des gesamten Verfahrens zur Bildaufnahme. In weiteren Verfahrensschritten wird dann durch eine z-Verstellung für ausgewählte Wellenlängen eine Bildaufnahme durchgeführt bei der man n-Farben erhält, die über eine Eichkurve, die entsprechend dem in 2 dargestellten Verfahren ermittelt wurde, abgefragt wird.After the completion of the calibration, the image acquisition of any samples commences according to the in 3 illustrated flowchart of the entire method for image acquisition. In further process steps, an image acquisition is then carried out by a z-adjustment for selected wavelengths in which one obtains n-colors, which have a calibration curve corresponding to the in 2 queried is queried.

Abschließend erhält man in einem letzten Verfahrensschritt durch eine Überlagerung der n Einzelbilder analog oder digital ein Bild mit verschiedenen Farben ohne Nachfokussierung über einen Softwareautofokus.Finally, you get in a last method step by superimposing the n individual images analog or digital a picture with different colors without refocusing on a Software autofocus.

Claims (6)

Verfahren zur automatischen Kompensation des Farblängsfehlers der Abbildungsoptik eines Mikroskops, das insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie zur Korrektur des verbleibenden Farblängsfehlers der Abbildungsoptik einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bildaufnahme einer zu untersuchenden Probe zunächst eine Kalibrierung einer Abbildungsoptik hinsichtlich des Farblängsfehlers mit einer Kalibrierprobe vorgenommen wird dadurch, dass in einem ersten Verfahrensschritt die zu kalibrierenden Optikkonfiguration ausgewählt wird, dass in einem anschließenden Verfahrensschritt die Kalibrierprobe eingelegt und in einem weiteren Verfahrensschritt die Beleuchtungswellenlänge ausgewählt wird und dass in einem abschließenden Verfahrensschritt vorzugsweise mit einem Autofokus mit monochromer Beleuchtung eine Speicherung des n-ten z- Werts für die einzelnen (n-ten) Wellenlängen in Form einer Wertetabelle erfolgt.Method for the automatic compensation of the longitudinal chromatic aberration of the imaging optics of a microscope, which can be used especially in fluorescence microscopy to correct the remaining longitudinal chromatic aberration of the imaging optics, characterized in that before the image recording of a sample to be examined, a calibration of an imaging optical system with respect to the longitudinal chromatic aberration is performed with a calibration in that the optical configuration to be calibrated is selected in a first method step, that in a subsequent method step the calibration sample is inserted and in a further method step the illumination wavelength is selected and that in a concluding method step preferably with an autofocus with monochromatic illumination storage of the nth z value for the individual (nth) wavelengths in the form of a value table. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kalibrierprobe insbesondere ein Stufenpräparat, in Form eines Gitters mit Bereichen, die hochtransparent sind, und mit Bereichen, die undurchlässig sind für sichtbares Licht, eingesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that as a calibration sample in particular a step preparation, in the form of a grid with areas that are highly transparent, and with areas that un permeable to visible light, is used. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungswellenlänge so gewählt wird, dass monochromes Licht oder eine Bande des sichtbaren Lichtes verwendet wird.Method according to Claims 1 and 2, characterized that the illumination wavelength so chosen being that monochrome light or a band of visible light is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Kalibrierung für jede Optikkonfiguration aus der Wertetabelle eine Eichkurve erstellt wird, die den Farblängsfehler der Abbildungsoptik für die Wellenlängen 1-n in z-Richtung darstellt und dass die Eichkurve anschließend in einen Rechner eingelesen wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that after calibration for each optics configuration from the lookup table creates a calibration curve that is the color longitudinal error the imaging optics for the wavelengths 1-n in z-direction represents and that the calibration curve is then read into a computer becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Verstellung in z-Richtung für ausgewählte Wellenlängen eine Bildaufnahme durchgeführt wird, bei der man n-Farben erhält, die über die Eichkurve abgefragt werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized that by adjusting in the z direction for selected wavelengths a Image taken is where you get n-colors, the above the calibration curve is queried. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Überlagerung der n Einzelbilder analog oder digital ein scharfes Bild mit verschiedenen Farben entsteht.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that by an overlay the n frames analog or digital a sharp picture with different Colors are created.
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