DE102006017841A1 - Laser scanning microscope with main beam splitter for the spatial separation of illumination and detection radiation - Google Patents
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Abstract
Es wird bereitgestellt ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Beleuchtungsstrahlquelle (5) und einem Detektionsstrahlengang (2), der in einer Probe angeregte (3) und/oder rückgestreute Strahlung längs einer optischen Achse (OA) zu einer Detektoreinrichtung (4) leitet und in dem ein Strahlteiler (13) vorgesehen ist, über den von der Beleuchtungsstrahlquelle (5) abgegebene Beleuchtungsstrahlung in einem Beleuchtungsstrahlengang (B) auf die Probe (3) gerichtet ist, wobei der Strahlteiler (13) an der Probe (3) spiegelnd reflektierte Beleuchtungsstrahlung nicht zur Detektoreinrichtung (4) passieren läßt und dazu in einer Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges (B) angeordnet sowie teilverspiegelt ist, wobei der Strahlteiler (13) eine im Detektionsstrahlengang (2) liegende Strahlteilerfläche (22) aufweist, die zumindest an drei Punkten (23a-d) für die Beleuchtungsstrahlung verspiegelt ist, welche auf der Strahlteilerfläche (22) auf einem Kreis um den Durchstoßpunkt (25) der optischen Achse (OA) liegen, und die Beleuchtungsstrahlquelle (5) eine der Punktzahl entsprechende Anzahl von Teilstrahlen (Sa-d) erzeugt und diese auf die drei Punkte (23a-d) des Strahlteilers (13) derart fokussiert, daß in der Probe (3) ein Interferenzmuster (28) in Form periodisch über die Probe (3) verteilter Beleuchtungsflecke (26) entsteht.A laser scanning microscope is provided with an illuminating beam source (5) and a detection beam path (2), which conducts (3) and / or backscattered radiation excited in a sample along an optical axis (OA) to a detector device (4) and In which a beam splitter (13) is provided, via which the illuminating radiation emitted by the illuminating beam source (5) is directed onto the sample (3) in an illuminating beam path (B), the illuminating radiation specularly reflected on the sample (3) cannot pass to the detector device (4) and is arranged in a pupil of the illuminating beam path (B) and partially mirrored, the beam splitter (13) having a beam splitter surface (22) lying in the detection beam path (2), which has at least three points (23a) d) is mirrored for the illuminating radiation which is on the beam splitter surface (22) on a circle around the penetration point (25) of the optical Axis (OA) lie, and the illuminating beam source (5) generates a number of partial beams (Sa-d) corresponding to the number of points and focuses them on the three points (23a-d) of the beam splitter (13) in such a way that in the sample (3rd ) an interference pattern (28) is formed in the form of illumination spots (26) distributed periodically over the sample (3).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Beleuchtungsstrahlquelle und einem Detektionsstrahlengang, der in einer Probe angeregte und/oder rückgestreute Strahlung längs einer optischen Achse zu einer Detektoreinrichtung leitet und in dem ein Strahlteiler vorgesehen ist, über den von der Beleuchtungsstrahlquelle abgegebene Beleuchtungsstrahlung in einem Beleuchtungsstrahlengang auf die Probe gerichtet ist, wobei der Strahlteiler an der Probe spiegelnd reflektierte Beleuchtungsstrahlung nicht zur Detektoreinrichtung passieren läßt und dazu in einer Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet sowie teilverspiegelt istThe The invention relates to a laser scanning microscope with a Illumination beam source and a detection beam path, which in a sample of excited and / or backscattered radiation along one optical axis leads to a detector device and in the one Beam splitter is provided over the emitted from the illumination beam source illumination radiation directed in an illumination beam path to the sample, wherein the beam splitter on the specimen reflects reflected illumination radiation does not let pass to the detector device and in a pupil of the Illuminating beam path is arranged and partially mirrored
Für Laser-Scanning-Mikroskope,
die, wie beispielsweise in der
Grundsätzlich stellt sich bei einem Laser-Scanning-Mikroskop die Aufgabe, daß die Beleuchtungsstrahlung, die im erwähnten Fall der Fluoreszenzmikroskopie Anregungsstrahlung ist, von der zu detektierenden Strahlung getrennt werden muß, da zumeist die Beleuchtungsstrahlung und die Detektionsstrahlung über ein gemeinsames Objektiv geführt werden, d.h. die Beleuchtungsstrahlung fällt über das Objektiv ein, mit dem auch die Detektionsstrahlung zum Detektor geleitet wird. Es ist deshalb üblich, die Beleuchtungsstrahlung über einen Strahlteiler einzukoppeln, der dafür sorgt, daß an der Probe rückreflektierte Beleuchtungsstrahlung nicht oder zu einem möglichst geringen Anteil zum Detektor passiert.Basically In a laser scanning microscope, the object is that the illumination radiation, in the mentioned Case of fluorescence microscopy is excitation radiation, from to Detecting radiation must be separated, since usually the illumination radiation and the detection radiation over a common objective are, i. the illumination radiation is incident on the lens, with the also the detection radiation is passed to the detector. It is therefore commonplace the illumination radiation over couple in a beam splitter which causes back reflection on the sample Illumination radiation not or to the least possible proportion to Detector happens.
In der Fluoreszenzmikroskopie macht man sich die Stokes-bedingte Wellenlängenverschiebung zwischen Detektions- und Anregungsstrahlung zunutze und verwendet für den Strahlteiler geeignete dichroitische Elemente, weshalb sich für den Strahlteiler auch der Begriff Farbteiler oder Hauptfarbteiler eingebürgert hat. Unterscheiden sich Beleuchtungs- und Detektionsstrahlung jedoch spektral nicht, hilft dieser Ansatz nicht weiter. Auch ist die Trennschärfe eines dichroitischen Strahlteilers begrenzt, was entweder dazu führt, daß im Detektionsstrahlengang nach dem Strahlteiler immer noch an der Probe rückreflektierte Anregungsstrahlung verbleibt oder daß die Detektionsstrahlung beim Durchgang durch den Strahlteiler unnötig abgeschwächt wird.In In fluorescence microscopy one makes the Stokes-related wavelength shift between Utilizing detection and excitation radiation and used for the beam splitter suitable dichroic elements, which is why the beam splitter and the Term natural color divider or main color divider. Distinguish yourself However, illumination and detection radiation is not spectrally helpful this approach does not continue. Also, the selectivity of a limited dichroic beam splitter, which either leads to that in the detection beam path after the beam splitter still reflected back to the sample excitation radiation remains or that the Detection radiation is unnecessarily attenuated when passing through the beam splitter.
Einen
spektral unabhängigen
Ansatz stellt die
Die
Laser-Scanning-Mikroskopie eignet sich, wie bereits erwähnt, besonders
zur Untersuchung biologischer Proben. Die Zeitdauer, die für die Aufnahme
eines Bildes benötigt
wird, ist bei biologischen Proben naturgemäß ein bedeutender Faktor, insbesondere
wenn man lebende Proben untersuchen oder schnell ablaufende Vorgänge analysieren möchte. Es
ist deshalb stetes Bestreben in der Laser-Scanning-Mikroskopie,
die Bildaufnahmegeschwindigkeit zu steigern. Hierzu sind in letzter
Zeit vermehrt Mikroskopsysteme beschrieben worden, die eine Probe
nicht mit einem punkt-artigen Lichtfleck (d.h. mit nicht einem konfokalen
Punkt-Scanner) abtasten, sondern mit einer zeilenförmigen Beleuchtung
und Abtastung (d.h. eine konfokale Schlitzblende) verwenden. Auch
hierfür
stellt die
Zwar erreichen zeilen-scannende Systeme eine hohe Bildaufnahmegeschwindigkeit, jedoch ist die Tiefenschärfeauflösung gegenüber einem punkt-scannenden System vermindert, da es in der konfokalen Abbildung mit der Schlitzblende prinzipbedingt zu einem gewissen Übersprechen längs der Schlitzblendenrichtung kommt.While line-scanning systems achieve high image acquisition speed, depth-of-field resolution is one Point-scanning system is reduced, as it comes in principle in the confocal imaging with the slit diaphragm to some crosstalk along the slit diaphragm direction.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Laser-Scanning-Mikroskop der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine schnelle Bildaufnahme möglich ist, ohne die mit einer Schlitzblende einhergehende Tiefenauflösungseinschränkung.Of the The invention is therefore based on the object of a laser scanning microscope of the type mentioned in such a way that a rapid image acquisition possible is without the depth resolution limitation associated with a slit diaphragm.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Beleuchtungsstrahlquelle und einem Detektionsstrahlengang, der in einer Probe angeregte und/oder rückgestreute Strahlung längs einer optischen Achse zu einer Detektoreinrichtung leitet und in dem ein Strahlteiler vorgesehen ist, über den von der Beleuchtungsstrahlquelle abgegebene Beleuchtungsstrahlung in einem Beleuchtungsstrahlengang auf die Probe gerichtet ist, wobei der Strahlteiler an der Probe spiegelnd reflektierte Beleuchtungsstrahlung nicht zur Detektoreinrichtung passieren läßt und dazu in einer Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet sowie teilverspiegelt ist, gelöst, bei dem der Strahlteiler eine im Detektionsstrahlengang liegende Strahlteilerfläche aufweist, die an drei Punkten verspiegelt ist, welche auf der Strahlteilerfläche auf einen Kreis um den Durchstoßpunkt der optischen Achse liegen, und bei dem die Beleuchtungsstrahlquelle eine der Punktzahl entsprechende Anzahl an Teilstrahlen erzeugt und diese auf die Punkte des Strahlteilers derart fokussiert, daß in der Probe ein Interferenzmuster in Form periodisch über die Probe verteilter Beleuchtungsflecke entsteht.These Task is according to the invention with a Laser scanning microscope with an illumination beam source and a detection beam path that excite in a sample and / or backscattered Radiation along an optical axis leads to a detector device and in a beam splitter is provided over that of the illumination beam source emitted illumination radiation in an illumination beam path directed to the sample, with the beam splitter on the sample mirroring reflected illumination radiation not to the detector device lets happen and to arranged in a pupil of the illumination beam path as well partially mirrored, solved, in which the beam splitter has a beam splitter surface lying in the detection beam path, which is mirrored at three points, which on the beam splitter surface on a circle around the puncture point the optical axis, and in which the illumination beam source generated a number of points corresponding number of partial beams and focused on the points of the beam splitter such that in the Sample an interference pattern in the form of illumination spots distributed periodically over the sample arises.
Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich natürlich auch invertieren, indem der Strahlteiler die Detektionsstrahlung ausspiegelt und spiegelnd reflektierte Beleuchtungsstrahlung passieren läßt. Dazu ist vorgesehen, ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Beleuchtungsstrahlquelle und einem Detektionsstrahlengang, der in einer Probe angeregte und/oder rückgestreute Strahlung längs einer optischen Achse zu einer Detektoreinrichtung leitet und in dem ein Strahlteiler vorgesehen ist, über den von der Beleuchtungsstrahlquelle abgegebene Beleuchtungsstrahlung in einem Beleuchtungsstrahlengang auf die Probe gerichtet ist, wobei der Strahlteiler an der Probe spiegelnd reflektierte Beleuchtungsstrahlung nicht zur Detektoreinrichtung passieren läßt und dazu in einer Pupille des Beleuchtungsstrahlenganges angeordnet sowie teilverspiegelt ist, wobei der Strahlteiler eine im Detektionsstrahlengang liegende reflektierende Strahlteilerfläche aufweist, die zumindest an drei Punkten für die Beleuchtungsstrahlung nicht verspiegelt ist, welche auf der Strahlteilerfläche auf einem Kreis um den Durchstoßpunkt der optischen Achse liegen, und die Beleuchtungsstrahlquelle eine der Punktzahl entsprechende Anzahl von Teilstrahlen erzeugt und diese auf die drei Punkte des Strahlteilers derart fokussiert, daß in der Probe ein Interferenzmuster in Form periodisch über die Probe verteilter Beleuchtungsflecke entsteht.The inventive solution can be Naturally also invert by the beam splitter the detection radiation reflecting and mirroring reflected light radiation happen leaves. To is provided, a laser scanning microscope with an illumination beam source and a detection beam path that is excited and / or backscattered in a sample Radiation along an optical axis leads to a detector device and in a beam splitter is provided over that of the illumination beam source emitted illumination radiation in an illumination beam path directed to the sample, with the beam splitter on the sample mirroring reflected illumination radiation not to the detector device lets happen and to arranged in a pupil of the illumination beam path as well is partially mirrored, wherein the beam splitter one in the detection beam path lying reflective beam splitter surface, at least at three points for the illumination radiation is not mirrored, which on the Beam splitter surface on a circle around the puncture point the optical axis, and the illumination beam source one of Score corresponding number of sub-beams generated and this focused on the three points of the beam splitter such that in the Sample an interference pattern in the form of illumination spots distributed periodically over the sample arises.
Die Erfindung erzielt eine hocheffiziente Punktgruppenerzeugung mittels eines einfachen Aufbaus.The Invention achieves highly efficient dot group generation by means of a simple construction.
Erfindungsgemäß wird der Strahlteiler so ausgebildet, daß die Probe mit einer Punktgruppe in Form eines durch Interferenz erzeugten Musters beleuchtet wird. Dies erlaubt eine parallele Beleuchtung mehrerer Punkte und auch ein paralleles Abtasten dieser gleichzeitig beleuchteten Punkte, wenn die Detektoreinrichtung eine Multipunktdetektion an den beleuchteten Flecken vornimmt. Im Ergebnis erhält man gegenüber einer Einzelpunktbeleuchtung eine um die Punktanzahl vervielfachte Abtastgeschwindigkeit, ohne daß die Tiefenauflösung beeinträchtigt wäre. Die Beleuchtung (in der Fluoreszenzmikroskopie, Anregung) der Probe mit dem regelmäßigen Punktgruppenmuster erfolgt erfindungsgemäß unter Ausnutzung eines Interterenzeffektes, so daß die Anzahl an Beleuchtungsstrahlen, welche die Beleuchtungsquelle bereitstellt, sehr viel geringer ist, als die Anzahlen an Beleuchtungsflecken im regelmäßigen Muster. Der Interferenzeffekt benötigt lediglich mindestens drei reflektierende Punkte/transmittierende Löcher am Strahlteiler, auf die die Beleuchtungsstrahlung fokussiert wird, so daß man mindestens drei Beleuchtungsstrahlen am Strahlteiler einkoppelt. Diese Anzahl an Beleuchtungsstrahlen (in dieser Beschreibung wird der Begriff "Strahl" synonym für ein entsprechendes Strahlbündel verwendet) läßt sich einfach erzeugen. Z.B. werden bei einem Ausgangsstrahl lediglich zwei Tellerelemente benötigt. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Beleuchtungsstrahlquelle einen Laser, der einen Laserstrahl abgibt, und eine Tellereinrichtung, die den Laserstrahl in die mindestens drei Teilstrahlen aufteilt und mittels einer Optikeinrichtung auf die Punkte/Löcher fokussiert, aufweist.According to the invention Beam splitter formed so that the Sample with a point group in the form of one generated by interference Pattern is illuminated. This allows a parallel illumination of several Points and also a parallel scanning of these lit simultaneously Points when the detector device to a multipoint detection the illuminated spots. In the result you get against one Single-point illumination multiplied by the number of points scanning speed, without that depth resolution would be impaired. The Illumination (in fluorescence microscopy, excitation) of the sample with the regular dot group pattern takes place according to the invention under utilization an inner-overtone effect, so that the number of illumination beams, which provides the illumination source is much lower, as the numbers of illumination spots in the regular pattern. The interference effect is needed only at least three reflective dots / transmitting holes on Beam splitter on which the illumination radiation is focused so that one at least three illumination beams coupled to the beam splitter. These Number of illumination beams (in this description, the Term "ray" synonymous with a corresponding beam used) can be easily produce. For example, become at a output beam only two plate elements needed. It is therefore preferred that the Illumination beam source a laser emitting a laser beam and a dish device, which the laser beam in the at least divides three partial beams and by means of an optical device on the points / holes focused, has.
Die Anzahl an reflektierenden bzw. transmittierenden Punkten ist nicht auf drei begrenzt. Es können auch mehr Punkte verwendet werden, die auf dem Kreis symmetrisch bzw. entlang der Kreislinie möglichst gleich verteilt oder äquidistant liegen sollten, aber disjunkt sein müssen. Bei vier Punkten können diese z.B. an den Ecken eines Quadrates liegen, in dessen Zentrum sich der Durchstoßpunkt befindet.The Number of reflective or transmitting points is not limited to three. It can Also, more points are used, which are symmetrical on the circle or along the circle as possible equally distributed or equidistant should lie, but must be disjoint. At four points, these can e.g. lie at the corners of a square, in the center of which the puncture point located.
Das erfindungsgemäße Mikroskop mit dem die Beleuchtung unter Ausnutzung der Interferenz bewirkenden Strahlteiler erzielt, wie bereits erwähnt, eine hohe Scangeschwindigkeit durch Parallelisierung der Beleuchtung und gegebenenfalls Detektion. Zugleich können in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Anforderungen an den zum Scannen erforderlichen Scanmechanismus drastisch reduziert werden, da es zum Abrastern der Bildfläche nur noch erforderlich ist, eine Verschiebung innerhalb einer Periode des periodischen Punktgruppenmusters auszuführen. Die Scaneinrichtung muß also, wenn sie beispielsweise als optischer im Strahlengang wirkender Scanner ausgebildet ist, nur noch einen vergleichsweise geringen Ablenkwinkel erreichen. Dies kommt der Scangeschwindigkeit wie apparativen Vereinfachungen gleichermaßen entgegen. Es ist deshalb in einer Weiterbildung zu bevorzugen, daß in Beleuchtungsrichtung dem Strahlteiler nachgeordnet eine Scaneinrichtung vorgesehen ist, die eine Verschiebung des Punktgruppenmusters über der Probe innerhalb einer Periode des Punktgruppenmusters bewirkt. Neben einer strahlablenkend arbeitenden Scaneinrichtung kann dabei natürlich auch eine Bewegung der Probe, z.B. durch einen sogenannten Tischscanner, verwendet werden.The microscope according to the invention with the beam splitter which effects the illumination by utilizing the interference achieves, as already mentioned, a high scanning speed by parallelization of the illumination and possibly detection. At the same time, in an advantageous embodiment the demands on the scanning mechanism required for scanning are drastically reduced because it is only necessary to perform a shift within a period of the periodic dot group pattern for scanning the image area. The scanning device, if it is designed, for example, as an optical scanner acting in the beam path, then only has to achieve a comparatively small deflection angle. This matches the scanning speed as well as simplifications of apparatus. It is therefore to be preferred in a development that in the illumination direction of the beam splitter downstream of a scanning device is provided which causes a shift of the dot group pattern on the sample within a period of the dot group pattern. In addition to a beam deflecting scanning device can of course also a movement of the sample, for example by a so-called table scanner, are used.
Die interferenzbedingte Erzeugung des Beleuchtungs-Punktgruppenmusters erlaubt es, die Helligkeit der Lichtflecke gegenüber den die Lichtflecke umgebenden Dunkelbereichen einfach zu verstellen, indem nämlich die Intensität jeweils diagonal gegenüberliegend fokussierter Teilstrahlen variiert wird. Es sind deshalb in einer Weiterbildung der Erfindung geeignete Mittel zur Variation vorgesehen, die dem Strahlteiler in Beleuchtungsrichtung vorgeordnet sind, und beispielsweise in Form einstellbarer Abschwächelemente ausgebildet sind.The interference-related generation of the illumination point group pattern allows the brightness of the light spots to be compared with those surrounding the light spots Dark areas easy to adjust, namely by the intensity each diagonally opposite focused sub-beams is varied. It is therefore in one Development of the invention provides suitable means for variation, which are arranged upstream of the beam splitter in the illumination direction, and for example, in the form of adjustable attenuation elements are formed.
Die Anzahl an hellen Flecken im Punktgruppenmuster hängt ausschließlich von dem ausgeleuchteten Bereich auf der Probe ab, wenn im Beleuchtungsstrahlengang im wesentlichen eine Abbildung der Pupille, in welcher der Strahlteiler angeordnet ist, auf die Probe erfolgt. Der beleuchtete Bereich der Probe und damit die Anzahl an Probenpunkten läßt sich dann einfach durch Mittel zur Brennweitenvariation der Abbildung zwischen Strahlteiler und Probe bewirken. Mit anderen Worten, Mittel zur Veränderung der von der optischen Abbildung erfaßten Bildfeldgröße variieren automatisch auch die Anzahl an Beleuchtungspunkten, die auf der Probe durch die Interferenz entstehen.The Number of bright spots in the dot group pattern depends entirely on the illuminated area on the sample when in the illumination beam path essentially an image of the pupil in which the beam splitter is arranged on the sample. The illuminated area of the Sample and thus the number of sample points can then easily by Means for zooming the image between the beam splitter and sample effect. In other words, means of change the image field size detected by the optical image varies automatically the number of lighting points on the Probe caused by the interference.
Eine parallele Detektion der gleichzeitig beleuchteten Flecken auf der Probe erhöht, wie bereits erwähnt, die Bildaufnahmegeschwindigkeit. Besonders einfach kann eine solche parallele Abtastung erreicht werden, wenn der Detektionsstrahlengang in einem Matrixdetektor endet, dem optional noch eine auf das Beleuchtungsmuster abgestimmte Pinholemaske vorgeordnet werden kann. Natürlich können aber auch die ortsauflösenden Elemente des Matrixdetektors die Funktion der Pinholemaske übernehmen.A parallel detection of the simultaneously illuminated spots on the Sample increased, As already mentioned, the image acquisition speed. Especially easy can such parallel scanning can be achieved when the detection beam path in a matrix detector ends, the optional one more on the illumination pattern coordinated Pinholemaske can be arranged. Of course you can also the spatially resolving Elements of the matrix detector assume the function of the pinhole mask.
Die reflektierenden Elemente des Strahlteilers müssen nur für Beleuchtungsstrahlung reflektieren, nicht für Detektionsstrahlung. Der Strahlteiler kann also auch dichroitisch ausgebildet werden.The reflective elements of the beam splitter must reflect only for illumination radiation, not for Detection radiation. The beam splitter can also be dichroic be formed.
Der Punktabstand im Punktgruppenmuster kann über den Abstand der Foki auf den Strahlteiler, also über den Kreisradius, verstellt werden.Of the Point distance in the dot group pattern can be increased by the distance of the foci the beam splitter, so over the circle radius, to be adjusted.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:The The invention will be described below with reference to the drawings for example, even closer explained. In the drawings shows:
Der
Detektionsstrahlengang
Im
in
Die
Beleuchtungsquelle
Im
einzelnen weist die Teilereinrichtung
Die
Erzeugung der vier Teilstrahlen Sa–c kann natürlich auch durch eine andersartig
ausgebildete Teilereinrichtung
Die
Beleuchtungsquelle
Die
räumliche
Ausdehnung des Musters
Die
Wirkung des Strahlteilers
Durch
die geometrische Anordnung der Spiegelflächenelemente
Due to the geometric arrangement of the mirror surface elements
Da
die rückwärtige Brennebene
mit der Pupille, in welcher der Strahlteiler
Im
Ergebnis passiert den Strahlteiler
Die
Detektion (in
Das
Abtasten der Probe
Der
in
Claims (7)
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