DE102008020889A1

DE102008020889A1 - Method and apparatus for volumetric scanning

Info

Publication number: DE102008020889A1
Application number: DE200810020889
Authority: DE
Inventors: Andrei Dr. Tchernook
Original assignee: NANOLIT GmbH
Current assignee: NANOLIT GmbH
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2009-11-05
Also published as: WO2009129802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft sowohl verfahrens- als auch vorrichtungstechnische Lösungsvorschläge zum schnellstmöglichen volumetrischen Scannen. Das Verfahren ist insbesondere für Resonanzscanner und Rotationsscanner vorteilhaft. Für Imaging-Zwecke werden in einem Rechner Raumkoordinaten und Messwerte von Aktivpunkten als Datenmassiv gespeichert, aus denen benötigte 3-D- oder 2-D-Abbildungen oder Profile errechnet werden. Weiterhin werden Anordnungen vorgeschlagen, die eine gleichmäßige Aktivpunktverteilung in allen relevant großen Elementarvolumen des gescannten Volumens sichern. Ein 3-D-Scannmuster wird in einer kontinuierlichen Scannbewegung mindestens eines Aktivpunktes abgescannt, wobei die Scannbewegung einer glatten Scannlinie mit minimalen Beschleunigungen folgt.The invention relates both to procedural and device-technical solutions for the fastest possible volumetric scanning. The method is particularly advantageous for resonance scanners and rotation scanners. For imaging purposes, spatial coordinates and measured values of active points are stored in a computer as a data mass, from which required 3-D or 2-D images or profiles are calculated. Furthermore, arrangements are proposed which ensure a uniform active point distribution in all relevant large elementary volumes of the scanned volume. A 3-D scan pattern is scanned in a continuous scan motion of at least one active point, with the scan motion following a smooth scan line with minimal accelerations.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verfahrens- und vorrichtungstechnische Lösungsvorschläge zum volumetrischen Scannen räumlicher Objekte.The The present invention relates to process and device technology Suggested Solutions for Volumetric Scanning Spatial Objects.

In den vergangenen Jahren hat das „Optische Multiphotonen Imaging” (MPI) die mikroskopischen Bild gebenden Verfahren für in vivo revolutioniert. Durch die Möglichkeit, Gewebe bis zu einer Millimeter-Tiefe nach mehrphotonenangeregter Fluoreszenz oder „Second Harmonic Generation” (SHG) mit subzellularer Auflösung abzubilden, ist das MPI zum wichtigen Werkzeug in der biologischen Forschung geworden.In In recent years, the "Optical Multiphoton Imaging "(MPI) the microscopic imaging techniques revolutionized for in vivo. By the possibility Tissue up to a millimeter depth after multi-photon excited Fluorescence or "Second Harmonic Generation" (SHG) with subcellular resolution, the MPI is important Become tool in biological research.

Ein Nachteil der gegenwärtig verfügbaren MPI-Geräte ist deren langsame Arbeitsgeschwindigkeit. So erstellt ein bekanntes Gerät bei einem guten Signal-Rausch-Verhältnis beispielsweise ein 2D-Bild (ca. 200 μm × 200 μm) in etwa 15 Sekunden und einen Z-Stapel von 100 2D-Bildern (ein Tomogramm) in etwa 30 Minuten. Zur Anwendung in der Hautforschung in vivo wäre es jedoch notwendig, ein Volumen von mindestens 1 mm × 1 mm × 200 μm (also etwa 25mal ca. 200 μm × 200 μm) oder eine äquivalente Anzahl der kleineren Volumen (ca. 200 μm × 200 μm × 200 μm) in maximal dieser Zeit aufzunehmen.One Disadvantage of currently available MPI devices is their slow working speed. So created a well-known Device with a good signal-to-noise ratio for example, a 2D image (about 200 μm × 200 μm) in about 15 seconds and a Z-stack of 100 2D images (one tomogram) in about 30 minutes. For use in skin research in vivo would be However, it is necessary to have a volume of at least 1 mm × 1 mm × 200 μm (ie approximately 25 times approximately 200 μm × 200 μm) or an equivalent number of smaller volumes (approx. 200 μm × 200 μm × 200 μm) to record in at most this time.

Die Zeitdauer einer MPI-Aufnahme wird bei einem gleich bleibenden Signal-Rausch-Verhältnis u. a. durch die Laserleistung und die Photonenanzahl für ein Pixel (Voxel) bestimmt. Hierbei muss die Laserleistung wegen der Phototoxizität, also zur Vermeidung von bei höheren Intensitäten der NIR-Strahlung auftretenden Zell-/Gewebeschädigungen, beschränkt werden. Die Photonenanzahl ist bei gleichen Anregungsbedingungen, d. h., bei gleicher Energiedichte im Focusvolumen eines Laserpulses, von der Verteilung der Laserpulse im Messvolumen abhängig. Im Idealfall sollten die Anregungspulsen entsprechenden Messpunkte gleichmäßig im ganzen Messvolumen verteilt sein, damit alle Punkte des Messvolumens gleich gut abgebildet bzw. erfasst werden können.The Time duration of an MPI recording is at a constant signal-to-noise ratio u. a. by the laser power and the number of photons for a pixel (voxel) is determined. Here, the laser power has to the phototoxicity, so to avoid at higher Intensities of NIR radiation occurring cell / tissue damage, be limited. The number of photons is the same Excitation conditions, d. h., with the same energy density in the focus volume a laser pulse, from the distribution of the laser pulses in the measuring volume dependent. Ideally, the excitation pulses should be appropriate Measuring points evenly distributed throughout the measuring volume be, so that all points of the measuring volume equally well mapped or can be detected.

Obwohl mit der technischen Lösung gemäß US 7 009 172 eine gleichmäßige Messpunktverteilung für 2D-Anwendungen erreicht werden kann, weisen die meisten der bekannten Scannmuster wie Raster-, Lissajous- oder Spiralenmuster sehr ungleichmäßige Verteilungen der Messpunkte über den jeweiligen Messflächen auf, die aber durch Verwerfen der Scannmusterteile (d. h., verlorene Aufnahmezeit) zum Teil kompensiert werden können. Solche und ähnliche Mängel können bisher auch durch spezifische Anpassungen nur bedingt überwunden werden. So sichert beispielsweise die in US 7 009 172 beschriebene Gleichschrittspirale mit geregelter Scannfrequenz zwar einen gleichen räumlichen Abstand zwischen den Messpunkten, indem die Scannfrequenz geregelt wird. Dies bedeutet jedoch, dass unter der Resonanzfrequenz gearbeitet werden muss, wodurch eine längere Scannzeit als die potenziell mögliche benötigt wird.Although with the technical solution according to US 7 009 172 a uniform measurement point distribution for 2D applications can be achieved, most of the known scanning patterns such as raster, Lissajous- or spiral pattern on very uneven distribution of the measuring points over the respective measuring surfaces, but by discarding the scanning pattern parts (ie, lost recording time) in part can be compensated. So far, such and similar deficiencies can only be partially overcome by specific adjustments. For example, the in US 7 009 172 although the same frequency spacing between the measuring points is described by controlling the scanning frequency at a controlled scanning frequency. However, this means working below the resonant frequency, which requires a longer scan time than the potential possible.

Eine andere Scannvariante ist von der Firma La Vision Biotec, Bielefeld bekannt, beispielsweise aus DE 10 2004 015 488 B4 . Diese Firma stellt multifokale Geräte für optische Laserscanning-MPM her, die schnell abbilden, weil sie mehrere Foki gleichzeitig verwenden. Sie leiden jedoch unter den o. g. Nachteilen, die für ein Rastermuster charakteristisch sind. Andererseits bestimmen die dicht aneinander liegenden Foki das Crosstalk zwischen ihnen. Dadurch werden mit steigender Abbildungstiefe die Auflösung und der Kontrast beeinträchtigt.Another scanning variant is known from the company La Vision Biotec, Bielefeld, for example DE 10 2004 015 488 B4 , This company manufactures multifocal optical laser scanning MPM devices that map quickly because they use multiple foci simultaneously. However, they suffer from the above-mentioned disadvantages that are characteristic of a screen pattern. On the other hand, the close-packed foci determine the crosstalk between them. As a result, the resolution and the contrast are impaired as the image depth increases.

Bekannte 3D-MPI-Lösungen basieren auf tomographischen Verfahren, die z. B. aus US 6 208 886 bekannt sind. Hierbei werden Schnittbilder erzeugt, auf deren Grundlage 3D-Rekonstruktionen erstellt werden können. Dieses Verfahren ergibt eine gleichmäßige 3D-Messpunktverteilung nur, sofern die Messpunktverteilung der Schnittbilder gleichmäßig ist. Aber selbst in diesem Fall ist die Bewegung in der dritten Dimension schrittähnlich, d. h., es treten hohe Beschleunigungen der Scanner bei den Übergängen zwischen den Bildebenen auf und die Aufnahmezeit geht an diesen Stellen verloren.Known 3D MPI solutions are based on tomographic methods, the z. B. off US 6,208,886 are known. Here, sectional images are created on the basis of which 3D reconstructions can be created. This method results in a uniform 3D measuring point distribution only if the measuring point distribution of the sectional images is uniform. But even in this case, the movement in the third dimension is step-like, ie there are high accelerations of the scanners at the transitions between the image planes and the recording time is lost at these points.

Neben den benannten technischen Lösungen gibt es noch zahlreiche weitere Varianten, von denen nachfolgend lediglich einige wenige kurz benannt werden sollen, um die Komplexität der vorliegenden Erfindung besser erkennen zu können. Auf längere diesbezügliche Darlegungen wird jedoch verzichtet, um ein angemessenes Verhältnis von Darlegungen zum Stand der Technik und zur erfindungsgemäßen Lösung nicht zu beeinträchtigen.Next The named technical solutions are still numerous other variants, of which only a few below to be named shortly to the complexity of the present To be able to recognize the invention better. On longer However, this explanation is omitted to a reasonable ratio of statements to the prior art and not for the solution according to the invention to impair.

Die meist verbreiteten Verfahren zur 3D-Abbildung in vivo sind Computertomographie (nachfolgend als CT abgekürzt) und Magnet Resonance Imaging (nachfolgend als MRI abgekürzt) bzw. Magnet Resonance Tomography (nachfolgend als MRT abgekürzt).The Most common methods for 3D imaging in vivo are computed tomography (hereafter abbreviated as CT) and Magnet Resonance Imaging (hereafter abbreviated as MRI) or Magnet Resonance Tomography (hereinafter abbreviated as MRI).

CT erstellt viele Röntgenbilder des Objekts aus den unterschiedlichsten Richtungen und rekonstruiert nachträglich aus diesen vielen Abbildungen die verlorenen Volumeninformationen. Diese 3D-Rekonstruktionen setzen sich überwiegend aus Einzelschnitten (Schnittbildverfahren) zusammen, die quer durch das Objekt verlaufen. Auf diese Weise kann für jedes Volumenelement des Objektes (sog. Voxel, entspricht einem dreidimensionalen Pixel) eine Dichte ermittelt werden. Ein wesentlicher Nachteil von CT ist eine relativ hohe Strahlenbelastung bei jeder Aufnahme.CT creates many X-ray images of the object from different directions and subsequently reconstructs the lost volume information from these many images. These 3D reconstructions are mainly composed of individual sections (cross-sectional imaging), which run across the object. In this way, a density can be determined for each volume element of the object (so-called voxel, corresponds to a three-dimensional pixel). A major disadvantage of CT is a relatively high level of radiation exposure every time undertaking.

In MRI bzw. MRT werden die Kernspinwerte ortskodiert, d. h., Punkt nach Punkt aufgenommen. Dadurch ist das Verfahren relativ langsam. Die Auflösung bei klinischen Standardsystemen ist durch technische Gegebenheiten auf etwa einen Millimeter begrenzt. Hingegen können im Forschungsbereich räumliche Auflösungen von unter 0,02 mm erreicht werden.In MRI or MRI, the nuclear spin values are location-coded, i. h., point recorded after point. This makes the process relatively slow. The resolution in standard clinical systems is through limited technical conditions to about one millimeter. On the other hand can in the field of research spatial resolutions of less than 0.02 mm.

Ähnlich diesen Verfahren arbeitet das optische 3D-Kartographieren durch optische Aufnahmen aus unterschiedlichen Positionen mit verschiedenen Wellenlängen.Similar This method works through the optical 3D mapping optical images from different positions with different wavelengths.

Einige weitere optische und nicht-optische Verfahren können als Echo-Tomographie bezeichnet werden, z. B. Ultraschall, Radartechnik und optische TOF(Time of light)-Tomographie. Das Prinzip dieser Verfahren ist ähnlich, indem ein Puls in die Gewebetiefe gesendet wird und die auf Grenzflächen entstehenden Reflexe entsprechend ihrer Laufzeit zurück in das Messsystem erfasst werden. Es entstehen X-Z bzw. Y-Z-Schnittbilder, aus denen eine 3D-Abbildung rekonstruiert werden kann.Some other optical and non-optical methods can be used as Echo tomography are called, for. B. ultrasound, radar technology and optical TOF (time of light) tomography. The principle of this procedure is similar by sending a pulse to the tissue depth becomes and the reflexes arising on interfaces accordingly of their running time back into the measuring system. The result is X-Z or Y-Z slice images from which a 3D image is reconstructed can be.

Für alle bisher verfügbaren Lösungen ist charakteristisch, dass sie auf 2D-Aufnahmen und nicht auf optimierte 3D-Aufnahmeverfahren ausgerichtet sind. Unabhängig von dieser grundsätzlichen Aussage sind bezüglich der bekannten und oben näher erläuterten technischen Lösungen zum Scannen zusammenfassend folgende Nachteile zu nennen:
Beim Rasterscannen werden die Seitenränder immer überstrahlt bzw. übererfasst, weil sich dort die Kehrpunkte befinden, an denen sich der Anregungs-/Messpunkt wesentlich langsamer bewegt als in der Scannfeldmitte.It is characteristic of all solutions available so far that they are geared to 2D images and not to optimized 3D recording methods. Regardless of this basic statement, the following disadvantages must be mentioned in summary with regard to the known technical solutions for scanning, which are explained in greater detail above:
When raster scanning, the margins are always outshined or overdrawn, because there are the Kehrpunkte where the excitation / measuring point moves much slower than in the middle of the scanning field.

Lissajous-Scannmuster sind intrinsisch inhomogen, wobei Bildränder wesentlich dichter gescannt werden als die Bildmitte.Lissajous scan pattern are intrinsically inhomogeneous, with image edges essential scanned more densely than the center of the image.

Beim Spiralscannen mit konstanter radialer Geschwindigkeit und gleichen Spiralschritten wird die Scannfeldmitte überstrahlt bzw. übererfasst, weil die lineare Geschwindigkeit des Anregungs-/Messpunktes zum Rand des Scannfeldes hin ansteigt.At the Spiral scanning with constant radial velocity and same Spiral steps, the scan field center is outshined or overreached, because the linear velocity of the excitation / measuring point for Edge of the scanning field rises.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die unter Nutzung von Computertechnik eine Reduzierung der 3D-Aufnahmezeiten durch eine Optimierung der Messpunktbewegung mit Rücksicht auf physikalische Eigenschaften der verwendeten Scanner erzielt. Hierbei werden auch eine Anwendung für gleichmäßiges 3D-Kartographieren objekteigener Signale (z. B. Chemielumineszenz) sowie ein gleichmäßiger Energieeintrag in ein Volumen (z. B. bei photodynamischer 2-Photoneu-Therapie) durch Scannen von mindestens einem Aktivpunkt angestrebt.task The invention is to provide a method and an arrangement, using computer technology to reduce the 3D recording times by optimizing the measuring point movement with consideration achieved on physical properties of the scanner used. This will also be an application for uniform 3D mapping object-own signals (eg Chemielumineszenz) as well as a uniform Energy input into a volume (eg photodynamic 2-photon therapy) sought by scanning at least one active point.

Diese Aufgabe wird mit den technischen Merkmalen gelöst, die Gegenstand der Patentansprüche sind und im Ausführungsbeispiel nochmals detailliert beschrieben werden. Hierbei sollten für ein besseres Verständnis der Erfindung folgende Begriffsdefinitionen beachtet werden:
Als „Aktivpunkt” wird ein aktives Volumen um den Brennpunkt einer Scanneinrichtung verstanden, das beispielsweise durch Anregung mit einem gepulsten Laser und Detektion zur Messung bzw. zum Imaging bzw. zum Kartographieren/Sondieren des Objekts beiträgt oder ein Fokusvolumen der konfokalen Messeinrichtung, die nur passiv in regelmäßigen Abständen die Objektsignale wie Chemielumineszenz erfasst, oder ein Aktivvolumen um den Brennpunkt des bearbeitenden gepulsten Strahls.This object is achieved with the technical features that are the subject of the claims and described in detail in the embodiment. In this case, for a better understanding of the invention, the following definitions should be observed:
An "active point" is understood to mean an active volume around the focal point of a scanning device which contributes, for example, by excitation with a pulsed laser and detection for measuring or imaging or for mapping / probing the object or a focus volume of the confocal measuring device which only passively at regular intervals the object signals such as chemiluminescence detected, or an active volume around the focal point of the processing pulsed beam.

„Elementarfläche” ist eine für die Geräteauflösung relevante Fläche. Sie kann z. B. einem Pixel entsprechen.Is "elementary surface" one relevant to the device resolution Area. You can z. B. correspond to a pixel.

„Elementarvolumen” ist ein für die Geräteauflösung relevantes Volumen. Es kann z. B. einem Voxel entsprechen.Is "elementary volume" one relevant to device resolution Volume. It can, for. B. correspond to a voxel.

Ein „Scannvolumen” entspricht dem in einem einzigen Scannvorgang erfassten 3D-Gebiet.A "scan volume" corresponds the 3D area captured in a single scan.

Die Grundidee der erfindungsgemäßen technischen Lösung besteht darin, eine Kreis- bzw. Spiralbewegung eines oder mehrerer Aktivpunkte, erzeugt durch das z. B. XY-Scannen, die kleinstmögliche Beschleunigungen der Scanner bei einem kontinuierlichen Scannen sichert bzw. ein Rotationsscannen eines oder mehrerer Aktivpunkte mit einer Z-Bewegung so zu kombinieren, dass ein räumliches Scannvolumen möglichst schnell und homogen abgescannt werden kann.The Basic idea of the technical solution according to the invention is a circular or spiral movement of one or more Active points generated by the z. B. XY scanning, the smallest possible Accelerate the scanner during continuous scanning secures or rotationally scanning one or more active points combine with a Z-motion so that a spatial scan volume can be scanned as quickly and homogeneously.

Die Erfindung ist insbesondere für schnelles 3D-Kartographieren mit CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) und optischem MPI (Multiphoton Imaging) von Bedeutung. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei Resonanzscannern sowie Rotationsscannern. In einer Ausführung bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Anordnung zum computergestützten nichttomographischen 3D-Laserkartographieren hoher räumlicher Auflösung.The Invention is particularly for fast 3D mapping with CLSM (Confocal Laser Scanning Microscopy) and optical MPI (Multiphoton imaging) of importance. Particularly advantageous is the Invention of resonance scanners and rotation scanners. In a Embodiment, the invention relates to a method and an arrangement for computerized non-tomographic 3D laser mapping of high spatial resolution.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen:In the drawing are several embodiments of the invention represented, which are explained in more detail below. Show it:

1 Kegelförmige Spiralen mit einem linear auswärts sinkenden bzw. inwärts steigenden Schritt 1 Cone-shaped spirals with a linear outward sinking or inwardly rising step

a) top view of a spiral branch
b) side view

2 Verschachtelte gleichschrittige Helices mit Abstand, der indirekt proportional dem Helixdurchmesser ist.

a) Draufsicht (1-Fokus-Variante)
b) Seitenansicht zwei Helices (1-Fokus-Variante und Mehrfokus-Variante)
c) Draufsicht auf das Scanmuster (Mehrfokus-Variante)
d) Momentaufnahme einer beispielhaften Anordnung der mehreren Foki

2 Interleaved equidistant helices at a distance that is indirectly proportional to the helical diameter.

a) top view (1-focus variant)
b) Side view of two helices (1-focus variant and multi-focus variant)
c) top view of the scan pattern (multi-focus variant)
d) Snapshot of an exemplary arrangement of the multiple foci

3 Verschachtelte abstandsgleiche Helices mit dem Helixdurchmesser indirekt proportionalen Schritt.

a) Draufsicht
b) Seitenansicht zwei Helices

3 Nested equidistant helices with the helix diameter indirectly proportional step.

a) top view
b) Side view of two helices

4 Verschachtelte abstandsgleiche gleichschrittige Helices mit XY-Scannfrequenz, die indirekt proportional dem Helixdurchmesser ist.

a) Draufsicht
b) Seitenansicht zwei Helices

4 Nested equidistant equi-step helices with XY scanning frequency that is indirectly proportional to the helix diameter.

a) top view
b) Side view of two helices

5 Kegelförmige Spiralen mit einem konstanten Schritt und geregelter XY-Scannfrequenz und Geschwindigkeit der Z-Verstellung

a) Draufsicht auf 2 Spiralenzweige
b) Seitenansicht

5 Cone-shaped spirals with a constant step and controlled XY scanning frequency and speed of Z-adjustment

a) Top view on 2 spiral branches
b) side view

6 Verschachtelte Toroide, erzeugt mit resonanten XY- und Z-Scannern. Draufsicht und Schnittbild A-A 6 Nested toroids generated with resonant XY and Z scanners. Top view and sectional view AA

7 Helix-Raster-Scannen

a) Draufsicht eines Elementarscannmusters vom Helix-Raster-Scannen
b) Seitensicht eines Elementarscannmusters vom Helix-Raster-Scannen
c) Draufsicht eines Helix-Raster-Scannmuster

7 Helix raster scanning

a) Top view of elementary scan pattern from helix raster scanning
b) Page view of an elementary scan pattern from helix raster scanning
c) Top view of a helix raster scan pattern

8 3D-Scannanordnung

a) allgemeine Darstellung
b) Ausführung für Bearbeiten/Therapie
c) Ausführung für 3D-Erfassen/Kartographieren
d) Ausführung für 3D-Konfokalsondieren (CLSM-Variante)
e) Ausführung für 3D-Direktsondieren (Multiphotonen-Variante)

8th 3D scanning system

a) general presentation
b) Execution for editing / therapy
c) Execution for 3D acquisition / mapping
d) Design for 3D confocal sounding (CLSM variant)
e) Design for 3D direct probing (multiphoton variant)

9 Gesamtdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit beweglichem Scannkopf 9 Overall view of a device according to the invention with a movable scanning head

1 XY-Scanner erzeugt(en) ein Spiralmuster, dabei werden die X- und Y-Komponente mit einer gleichen konstanten Scannfrequenz (gleiche Zeit für eine Umrundung) gefahren. Die Steuersignale für die X- und Y-Komponenten sind gleich sinusförmig und ihre Phasen um eine Viertelperiode verschoben. Bei einer gleich bleibenden Amplitude der Steuersignale erzeugt(en) XY-Scanner eine Kreisbewegung des Fokusses. Bei dem erfindungsgemäßen Scannverfahren wird jedoch die Steuersignalamplitude mit der Zeit so verändert, dass die Spirale einen auswärts sinkenden Schritt hat, damit die Anzahl der mit gleichem Zeitabstand folgenden Aktivpunkte in einem Elementarvolumen durchschnittlich gleich bleibt. Das gleiche kann mit Rotationsscannen realisiert werden. 1 The XY scanner generates a spiral pattern, driving the X and Y components at the same constant scanning frequency (same time for a rounding). The control signals for the X and Y components are equally sinusoidal and their phases shifted by a quarter period. With a constant amplitude of the control signals, the XY scanner generates a circular movement of the focus. In the scanning method according to the invention, however, the control signal amplitude is changed over time so that the spiral has an outwardly decreasing step, so that the number of active points following the same time interval remains on average in an elementary volume. The same can be realized with rotation scans.

Das XY-Scannen wird mit einer gleichmäßigen bzw. leicht variablen Z-Bewegung kombiniert. Die Geschwindigkeitsvariation der Z-Verstellung kann verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Aktivpunkte zu erhöhen.The XY scanning will be consistent or easy variable Z motion combined. The speed variation of Z-adjustment can be used to ensure uniformity to increase the distribution of the activity points.

Falls der größte Abstand zwischen den Spiralenzweigen (zwischen den zwei innersten Zweigen) nach XY-Auflösung der Anordnung ausgerichtet ist, soll z' ca. gleich mit ihrer Z-Auflösung sein.If the largest distance between the spiral branches (between the two innermost branches) for XY resolution The arrangement is aligned z 'approximately equal to its Z resolution be.

In dieser Ausführung kann/können der/die XY-Scanner mit ihrer Resonanzfrequenz gefahren werden. Dies trägt zu einem sehr schnellen Scannen bei. Nachteilig ist der nicht abgescannte zylinderförmige Raum um die Achse des Scannvolumens („totes” Volumen => der gestrichene Bereich auf 1), der intrinsisch für dieses Scannverfahren wegen indirekter Proportionalität zwischen dem Zweigradius und -abstand ist. Für schnelles bzw. großflächiges Scannen hat aber dieser Nachteil kaum Bedeutung, weil bei einem dreifachen Unterschied der Innen- und Außendurchmesser des Scannvolumens das „tote” Volumen nur ca. 11% des Raums in Außengrenzen des Scannvolumens beträgt. Durch seine Schnelligkeit ist das Verfahren sehr gut für z. B. Übersichtsaufnahmen in LSM geeignet.In this embodiment, the XY scanner (s) can be driven at their resonant frequency. This contributes to a very fast scanning. A disadvantage is the non-scanned cylindrical space around the axis of the scanning volume ("dead" volume => the painted area on 1 ), which is intrinsic to this scanning method because of indirect proportionality between the branch radius and distance. For fast or large-scale scanning, however, this disadvantage has little significance, because with a threefold difference in the inner and outer diameter of the scanning volume, the "dead" volume is only about 11% of the space in the outer limits of the scanning volume. Due to its speed, the process is very good for z. B. Overview shots in LSM suitable.

Das XY-Scannen nach dieser Variante kann auch für 2-D- bzw. tomographisches Scannen eingesetzt werden. Dabei wird ein Bild oder jede Schicht nach dem Spiralmuster (1.a) gescannt. Die Übergänge zwischen Flächen werden als Rampen der Z-Verstellung gestaltet, ohne das Spiralscannen anzuhalten. Ohne die Z-Verstellung steht ein Flachmuster in diesem Fall für die übliche Scannmikroskopie zur Verfügung und man kann die rechten und linken Spiralen sowie einen Versatz des X- bzw. Y-Scanners mit kontinuierlicher X- bzw. Y-Verstellung kombinieren, um streifenähnliche Gebiete abzuscannen.The XY scanning according to this variant can also be used for 2-D or tomographic scanning. In doing so, an image or each layer after the spiral pattern ( 1.a. ) scanned. The transitions between surfaces are designed as Z-adjustment ramps without stopping spiral scanning. Without the Z-adjustment, a flat pattern in this case is available for ordinary scanning microscopy, and one can combine the right and left spirals as well as an offset of the X or Y scanner with continuous X and Y adjustments, respectively, to strip-like areas to scan.

2 Das XY-Resonanzscannen mit der Phasenverschiebung von einer Viertelperiode oder das Rotationsscannen mit einem oder mehreren Aktivpunkten ergibt Kreise, deren Abstand voneinander indirekt proportional ihrem Durchmesser ist. Zusammen mit einer Z-Verstellung nach oben bzw. nach unten ergeben sich die verschachtelten gleichschrittigen Helices mit einem Abstand, der indirekt proportional dem Helixdurchmesser ist. 2 XY scanning with the phase shift of one-quarter period or the rotation scanning with one or more active points gives circles whose distance from each other is indirectly proportional to their diameter. Together with a Z-adjustment upwards or to un The nested equal-step helices result with a distance that is indirectly proportional to the helix diameter.

Beim 1-Fokus-XY-Resonanzscannen werden die Übergänge zwischen den Helices als Rampen gestaltet und für sie wird normalerweise weniger als eine Periode benötigt. Diese Übergänge werden gleichzeitig mit Richtungsänderung der Z-Verstellung vorgenommen. Dies ermöglicht es, die räumliche Aktivpunktdichte unter dem Niveau im Scannvolumen zu halten.At the 1-focus XY resonance scanning becomes the transitions between the helices designed as ramps and becomes for them usually less than one period needed. These transitions be made simultaneously with change of direction of the Z-adjustment. This allows the spatial activity density below the level in the scanning volume.

Das resonante XY-Scannen und die gleichmäßige Z-Bewegung sichern eine sehr einfache Form der Steuersignale, wobei die Z-Auflösung unabhängig vom Helixdurchmesser ist.The resonant XY scanning and smooth Z motion secure a very simple form of control signals, with Z resolution is independent of the helix diameter.

Dieses Scannverfahren erlaubt auch eine multifokale Lösung, die ein schnellstmögliches Scannen realisiert. Dafür wird ein mit einer konstanten Geschwindigkeit rotierender Rotationsscanner verwendet. Ein Laserstrahl wird nach dem Eintritt in den Rotationsscanner auf mehrere gleiche Teilstrahle gesplittert. Dadurch können alle Teilstrahle zusammen gleich rotiert werden. Sie bilden dann auf dem Objekt ein Muster aus konzentrischen Kreisen oder Helices (ihre Z-Achse entspricht der Tiefe im Objekt). Der Abstand der benachbarten Kreise bzw. Helices voneinander ist reziprok ihren Radii (2c). Dadurch wird das Objekt durchschnittlich homogen abgescannt, d. h., die durchschnittliche Aktivpunktdichte ist gleich für den ganzen Scannbereich. Es müssen keine Aktivpunkte verworfen werden.This scanning method also allows for a multifocal solution that realizes the fastest possible scanning. This is done using a rotating scanner rotating at a constant speed. A laser beam is split after entering the rotation scanner on several equal partial beams. As a result, all the partial beams can be rotated simultaneously. They then form a pattern of concentric circles or helices on the object (their z-axis corresponds to the depth in the object). The distance of the neighboring circles or helices from each other is reciprocal to their radius ( 2c ). This scans the object homogeneously on average, that is, the average active point density is the same for the entire scan area. There are no active points to discard.

Um ein Crosstalk der Foki zu minimieren, werden sie auf einem größtmöglichen Abstand zueinander angeordnet, wie beispielsweise aus 2d ersichtlich.To minimize crosstalk of the foci, they are spaced as far apart as possible, for example 2d seen.

3 Dieses Scannverfahren ähnelt dem Verfahren nach 2. Allerdings sind hier die ineinander verschachtelten Helices abstandsgleich und bezüglich ihres Schrittes (Geschwindigkeit der Z-Verstellung) indirekt proportional dem Helixdurchmesser. Jede Helix hat eine gleiche flächige Aktivpunktdichte und innerhalb eines Helixes ist die Z-Verstellung gleich schnell. 3 This scanning method is similar to the method of 2 , However, here the nested helices are equidistant and in their step (speed of Z-adjustment) indirectly proportional to the helix diameter. Each helix has a similar areal density of active points and within a helix the Z-orientation is equally fast.

4 In diesem Scannverfahren werden die abstandsgleichen gleichschrittigen Helices – die Geschwindigkeit der Z-Verstellung ist für alle Helices gleich – mit XY-Scannfrequenzen abgescannt, die indirekt proportional den Helixdurchmessern sind. In diesem Scannverfahren ist der Abstand zwischen benachbarten Aktivpunkten auf einer Scannlinie immer gleich. 4 In this scanning method, the equidistant equi-step helices - the velocity of the Z-adjustment is the same for all helices - are scanned at XY scan frequencies that are indirectly proportional to the helix diameters. In this scanning method, the distance between adjacent active points on a scan line is always the same.

Vorteilhaft für diese Variante ist der fehlende „tote” Raum in der Mitte des Scannvolumens und die gleichmäßige Z-Bewegung. Ein Nachteil ist jedoch, dass die XY-Scanner unter ihrer Resonanzfrequenz funktionieren, was die längeren Scannzeiten bestimmt. Daher ist die Variante primär für detailliertes Scannen geeignet.Advantageous for this variant is the missing "dead" space in the middle of the scan volume and the uniform Z-movement. A disadvantage, however, is that the XY scanners are under their Resonant frequency work, what the longer scanning times certainly. Therefore, the variant is primarily for detailed scanning suitable.

5 Dieses Scannverfahren kombiniert ein XY-Spiralscannen mit geregelter Scannfrequenz, die indirekt proportional dem aktuellen Radius ist und eine geregelte Z-Verstellung mit der Geschwindigkeit, die proportional der XY-Scannfrequenz ist. Im Ergebnis liegt die Scannlinie auf einem Kegel. Der Abstand zwischen allen benachbarten Aktivpunkten auf einer Linie bleibt gleich. 5 This scanning method combines XY spiral scanning with controlled scanning frequency, which is indirectly proportional to the current radius, and a controlled Z-adjustment with the velocity proportional to the XY scanning frequency. As a result, the scan line is on a cone. The distance between all adjacent active points on a line remains the same.

Dieses Scannverfahren weist ein nichtresonantes XY-Scannen und eine ungleichmäßige Z-Bewegung auf. Somit kann ein ganzes Volumen ohne „toten” Raum in der Mitte abgescannt werden. Ein Vorteil ist, dass im 3D-Scannen geringe Beschleunigungen erzeugt werden, die sich positiv auf die Scanner auswirken. Für gleiche 3D-Aufnahmen wird insgesamt weniger Zeit benötigt und eine gleichmäßige Punktverteilung auch in kleinen Elementarvolumen erreicht, man kann praktisch komplett ein zylindrisches Volumen abscannen. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Scanner unter Resonanzfrequenz arbeiten. Ihre Bewegung ist nicht gleichmäßig, deshalb ist die Scannzeit länger als potenziell möglich für die resonanten Scanner.This Scanning method has non-resonant XY scanning and uneven Z motion up. Thus, a whole volume without "dead" space be scanned in the middle. One advantage is that in 3D scanning low accelerations are generated, which are beneficial to the Affect the scanner. For same 3D shots will total less time needed and a uniform point distribution Even in small elementary volumes, you can practically complete Scan a cylindrical volume. A disadvantage, however, is that the scanners work at resonant frequency. Her movement is not even, so the scan time is longer as potentially possible for the resonant scanners.

6 Um ein möglichst schnelles Abscannen eines Volumens zu realisieren, müssen alle drei Dimensionen X, Y und Z mit Resonanzfrequenz gescannt werden. Im Beispiel eines derart schnellen Scannverfahrens liegen die Scannlinien auf den verschachtelten Toroiden. Wenn, wie überwiegend zutreffend, Z-Scann (Resonanzfrequenz) wesentlich langsamer ist als XY-Scann (Resonanzfrequenz), formen fast kreisförmige Scanns mit einer geregelten Amplitude konsequent zusammen mit dem Z-Scanner mehrere verschachtelte Toroide (kreisförmige Schlauchflächen). Der Abstand zwischen der Scannlinien bzw. den einzelnen Toroiden wird so geregelt, dass die durchschnittliche volumetrische Aktivpunktdichte gleich bleibt. 6 In order to realize the fastest possible scanning of a volume, all three dimensions X, Y and Z must be scanned at resonance frequency. In the example of such a fast scanning method, the scanning lines lie on the nested toroids. If, as is mostly true, Z-scan (resonant frequency) is significantly slower than XY-scan (resonant frequency), then almost circular scans with a controlled amplitude consistently form together with the Z-scanner several interleaved toroids (circular tube surfaces). The distance between the scan lines or the individual toroids is controlled so that the average volumetric active point density remains the same.

Für ein kontinuierliches Abscannen größerer Gebiete bzw. mehrerer einzelnen Bereiche werden die Elementarscanns in einem Raster bzw. zufällig über ein größeres Gebiet verteilt, um eine Übersicht bzw. statistisch relevante Darstellung des Gebiets zu schaffen. Das Abscannen erfolgt dabei ohne Unterbrechung nach den glatten gleichmäßigen Übergangslinien zwischen den Elementarscanns.For a continuous scanning of larger areas or several individual areas are the elementary scans in one Grid or random over a larger one Distributed to an overview or statistically relevant To create representation of the area. The scanning takes place without interruption to the smooth smooth transition lines between elementary scanners.

7 Hier wird das gesamte Scannvolumen mit Helices abgescannt, die ineinander eingreifen und parallel verlaufen. In Abhängigkeit vom Verhältnis der X-, Y- und Z-Scannfrequenzen sind die Helixachsen der Richtung Z (schnelles X-Y-Scannen, langsameres Z-Scannen und Möglichkeit einer groben Verstellung in X-Y) oder einer Richtung auf der XY-Fläche (schnelles X-Z- bzw. Y-Z-Scannen, langsameres Y- bzw. X-Scannen und Möglichkeit einer groben Verstellung in X- bzw. Y- und Z-Richtung) zueinander parallel. Die Elementarhelices sind durch glatte Übergänge miteinander verbunden und bilden im Endeffekt ein rasterähnliches Muster. Durch eine hohe Homogenität einer Elementarzelle in diesem Verfahren und ein Resonanzscannen in zwei Richtungen ist dieser Verfahrensablauf für ein Übersichtsscannen größerer Gebiete bzw. Volumen vorteilhaft. 7 Here, the entire scan volume is scanned with helices that intermesh and run parallel. Depending on the ratio of the X, Y and Z scanning frequencies, the heli x axes of direction Z (fast XY scanning, slower Z scanning and coarse adjustment in XY) or one direction on the XY surface (fast XZ or YZ scanning, slower Y or X scanning and possibility a coarse adjustment in the X and Y and Z directions) parallel to each other. The elementary helices are connected by smooth transitions and ultimately form a grid-like pattern. Due to a high homogeneity of a unit cell in this method and a resonance scanning in two directions, this procedure is advantageous for an overview scanning of larger areas or volumes.

Die anhand der 1 bis 7 erläuterten Beispiele beschränken den Erfindungsgegenstand nicht auf diese konkreten Ausführungsformen. Vielmehr umfasst die Erfindung auch alle möglichen Kombinationen einer 3D-Spiral- bzw. Helixbewegung mit einem rasterähnlichen Abscannen von größeren Gebieten. Dabei wird aus einer schnellen Resonanzschwingungskombination der X-, Y- und Z-Scanner plus einem langsameren rasterähnlichen Abtasten eines Gebietes ein möglichst homogenes Scannmuster erzeugt, wobei alle Elementarvolumen gleich viel im gleichen Zeitabstand folgende Aktivpunkte beinhalten.The basis of the 1 to 7 Illustrated examples do not restrict the subject of the invention to these specific embodiments. Rather, the invention also includes all possible combinations of a 3D spiral or helix movement with a grid-like scanning of larger areas. In this case, a very homogeneous scanning pattern is generated from a fast resonance oscillation combination of the X, Y and Z scanners plus a slower grid-like scanning of an area, all elementary volumes including the same number of active points at the same time interval.

8 Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist als eine 3D-Scannanordnung so ausgestaltet, dass sie das Scannverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht. Ihr Hauptmerkmal liegt darin, dass eine gesamte 2D-Scannereinheit (die zwei Dimensionen sind z. B. X- und Y-Richtung) durch eine Verstellung (3D-Verstellung) mindestens in der dritten Dimension (z. B. Z-Richtung) gegenüber dem Objekt bewegt bzw. gescannt wird (8a). So werden negative Effekte vermieden, die durch Abweichungen des Objektivs aus seiner optimalen Position in der Scannereinheit verursacht werden, wie z. B. bei der üblichen Z-Verstellung, die unabhängig von der Scannereinheit ist. 8th A device according to the invention is designed as a 3D scanning arrangement in such a way that it enables the scanning method according to the invention. Its main feature is that an entire 2D scanner unit (the two dimensions are eg X- and Y-direction) by an adjustment (3D-adjustment) at least in the third dimension (eg Z-direction) opposite the object is moved or scanned ( 8a ). This avoids the negative effects caused by deviations of the lens from its optimal position in the scanner unit, such as: B. in the usual Z-adjustment, which is independent of the scanner unit.

Die 2D-Scannereinheit beinhaltet zwei 1D- oder bevorzugt einen 2D-Scanner oder einen Rotationsscanner. Sie gewährleistet eine Kreis- bzw. Spiralbewegung des Aktivpunktes in den zwei Dimensionen durch Ansteuern beider Achsen mit gleichen Sinussignalen, die um eine Viertelperiode gegeneinander verschoben sind. Diese Signale werden von einer elektronischen Steuereinheit gesteuert, die ihrerseits von einem Rechner gesteuert wird.The 2D scanner unit includes two 1D or preferably a 2D scanner or a rotation scanner. It ensures a circular or spiral movement of the active point in the two dimensions Controlling both axes with the same sine signals, which by one Quarter period are shifted against each other. These signals will be controlled by an electronic control unit, which in turn of a computer is controlled.

Die Scannereinheit umfasst auch ein Objektiv, dessen Sichtfeld die Abmessungen des Scannfeldes (Verfahren 1 bis 6) bestimmt, und eine optische Anordnung als „Relaisoptik”, die zusammen mit dem Objektiv Scannbewegungen der 1D-Scanner bzw. des 2D-Scanners oder eines Rotationsscanners in Bewegungen eines oder mehrerer Aktivpunkte auf dem oder im Objekt übersetzt. Die Relaisoptik sichert auch die Ausfüllung der Rückapertur des Objektivs bzw. das Erfassen des ganzen Sichtfeldes des Objektivs.The scanner unit also includes a lens whose field of view is the dimensions of the scanning field (method 1 to 6 ) and a "relay optics" optical arrangement which, together with the lens, translates scanning movements of the 1D scanners or the 2D scanner or a rotation scanner into movements of one or more active points on or in the object. The relay optics also ensures the filling of the back aperture of the lens or the detection of the entire field of view of the lens.

Die 2D-Scannereinheit ist vorzugsweise leicht und kompakt, wodurch ihre Trägheit minimiert wird. Sie wird auf der 1D-, 2D- oder 3D-Verstellung befestigt. Diese Verstellung sichert mindestens das Scannen in der dritten Dimension. Außerdem kann sie die gesamte 2D-Scannereinheit über die Strecken verschieben, die wesentlich größer als das 2D-Scannfeld sind. Die bewegliche 2D-Scannereinheit beinhaltet weiterhin Komponenten zur Anregung (z. B. Laser) und/oder Detektion (z. B. PMT).The The 2D scanner unit is preferably lightweight and compact, which makes its Inertia is minimized. It will be on the 1D, 2D or Attached 3D-adjustment. This adjustment ensures at least the scanning in the third dimension. Besides, she can do the whole 2D scanner unit to move over the routes that are essential are larger than the 2D scan field. The mobile one 2D scanner unit further includes components for excitation (z. Laser) and / or detection (eg PMT).

Die 3D-Verstellung mit der auf ihr befestigten 2D-Scannereinheit befindet sich in einem Gehäuse, mit dem sie fest verbunden ist. Das Gehäuse ist ihrerseits mit dem Objekt fest gekoppelt, wobei diese Kopplung im Idealfall Relativbewegungen zwischen Gehäuse und Objekt ausschließt.The 3D adjustment with the 2D scanner unit attached to it in a housing with which it is firmly connected. The housing is in turn firmly coupled to the object, wherein this coupling ideally relative movements between housing and excludes object.

Durch eine gemeinsame Funktion der 2D-Scannereinheit und der 3D-Verstellung wird mindestens ein Aktivpunkt nach einem der oben erläuterten Scannverfahren gescannt und über größere Wege zu bestimmten Bereichen verschoben. Der 2D-Scanner kann vorteilhaft als 2D-MEMS-Spiegelscanner oder Faserscanner ausgeführt sein, weil diese sehr leicht und kompakt sind. Die 3D-Verstellung kann vorteilhaft als eine Kombination von Piezomotoren ausgeführt werden, die sehr hohe Verstellungsgeschwindigkeiten zulassen. In Abhängigkeit vom Einsatzzweck kann die 3D-Scannanordnung in verschiedenartiger Weise ausgeführt sein.By a common function of the 2D scanner unit and the 3D adjustment will be at least one asset after one of the above Scanned scanning and over longer distances moved to specific areas. The 2D scanner can be beneficial executed as a 2D MEMS mirror scanner or fiber scanner because they are very light and compact. The 3D adjustment can advantageously designed as a combination of piezo motors which allow very high displacement speeds. In Depending on the purpose, the 3D scanning arrangement be executed in various ways.

Für Anwendungen, bei denen ein schneller gleichmäßiger Energieeintrag in ein Objektvolumen durch ein Aktivpunktscannen (bei z. B. 2-Photoneu-Volumnephotopolymerisation oder -PDT/Photo Dynamic Therapy) notwendig ist, kann eine modifizierte Form der Anordnung eingesetzt werden, bei der mindestens ein Aktivpunkt dem Brennpunkt des durch das Objektiv fokussierten Laserstrahls (mindestens ein Laser) entspricht. Der Laser kann sich außerhalb des Gehäuses befinden und über eine flexible Verbindung in die Scannereinheit eingekoppelt werden. Ebenso ist es möglich, dass die Laserteile (Oszillator, Verstärker, Pulskompressor usw.) außerhalb des Gehäuses und/oder im Gehäuse außerhalb der Scannereinheit und/oder innerhalb der Scannereinheit angeordnet sind (8b).For applications where rapid uniform energy input into an object volume is necessary by means of an active point scan (for example, 2-photonu-volume photopolymerization or -PDT / Photo Dynamic Therapy), a modified form of arrangement may be employed in which at least one Active point corresponds to the focal point of the focused by the lens laser beam (at least one laser). The laser can be located outside of the housing and coupled via a flexible connection in the scanner unit. It is likewise possible for the laser parts (oscillator, amplifier, pulse compressor, etc.) to be arranged outside the housing and / or in the housing outside the scanner unit and / or inside the scanner unit ( 8b ).

Für Anwendungen, bei denen Strahlung aus einem Objektvolumen schnell und gleichmäßig in drei Dimensionen erfasst werden soll (z. B. beim Erfassen der Chemilumineszenz in dicken Proben), kann die Anordnung in einem konfokalen Schema eingesetzt werden (8c). Das konfokale Schema bedeutet, dass ein räumlicher Filter („Lochblende” oder „einhole”) vor dem Detektor (Richtung Objektiv-Detektor) faktisch nur die Strahlung aus dem Brennpunkt des Objektivs durchlässt. Um das Gewicht der Scannereinheit zu reduzieren, kann die Funktion der Lochblende ein Eintritt einer Faser übernehmen, der Detektor befindet sich dann am anderen Ende der Faser und außerhalb der Scannereinheit.For applications in which radiation from an object volume is to be detected rapidly and uniformly in three dimensions (eg, when detecting chemiluminescence in thick samples), the arrangement may be in a confocal scheme be used ( 8c ). The confocal scheme means that a spatial filter ("pinhole" or "catch up") in front of the detector (towards the lens detector) in fact only lets through the radiation from the focal point of the lens. In order to reduce the weight of the scanner unit, the function of the pinhole can take over an entry of a fiber, the detector is then located at the other end of the fiber and outside the scanner unit.

Eine Zusammenstellung obiger Ausführungen zeigt 8d. In dieser Variante wird die fokussierte Strahlung von mindestens einem Laser zur Induktion einer Objektrückstrahlung (z. B. Fluoreszenz oder reflektiertes Licht) verwendet, die in einem konfokalen Schema erfasst wird. Der Laserstrahl und die Objektrückstrahlung legen einen gleichen Weg bis zum Strahlteiler zurück. In Abhängigkeit des verwendeten Scanners wird die Objektrückstrahlung innerhalb (z. B. bei Spiegelscannern) oder außerhalb (z. B. bei Faserscannern) der Scannereinheit vom Laserlicht getrennt.A compilation of the above shows 8d , In this variant, the focused radiation from at least one laser is used to induce object reflectance (eg, fluorescence or reflected light), which is detected in a confocal scheme. The laser beam and the object reflections travel the same way back to the beam splitter. Depending on the scanner used, the object return radiation is separated from the laser light within (for example in the case of mirror scanners) or outside (eg in the case of fiber scanners) of the scanner unit.

Eine Variante mit unmittelbarer Detektion (Multiphotonenvariante) zeigt 8e. Hier wird die Strahlung von mindestens einem Laser zur nichtlinearen Induktion (z. B. 2-Photonen-Anregung, Second-Harmonic-Generation) der Objektrückstrahlung verwendet. Durch die nichtlinearen Induktionsmechanismen wird erreicht, dass Objektbestandteile nur im Aktivpunkt angesprochen werden. Deshalb soll die Objektstrahlung ungefiltert (außer Trennung vom Streulicht des Lasers) und möglichst ohne Verluste erfasst werden. Die Objektrückstrahlung wird daher gleich nach dem Objektiv durch einen Strahlteiler aus der Laserstrahlbahn abgelenkt. Dieses Licht wird dann auf einen Detektor innerhalb der Scannereinheit, der mit einem Filter von dem Streulicht des Lasers geschützt wird, oder auf das Eingangselement einer flexiblen optischen Vorrichtung, die die Objektrückstrahlung zu einem Detektor außerhalb der Scannereinheit (innerhalb oder außerhalb des Gehäuses) leitet, mit geeigneten Optiken gerichtet.A variant with direct detection (Multiphotonenvariante) shows 8e , Here, the radiation from at least one laser is used for non-linear induction (eg 2-photon excitation, second-harmonic generation) of the object return radiation. Due to the non-linear induction mechanisms it is achieved that object components are addressed only in the active point. Therefore, the object radiation is to be detected unfiltered (except separation from the scattered light of the laser) and as far as possible without losses. The object return is therefore deflected immediately after the lens by a beam splitter from the laser beam path. This light is then applied to a detector within the scanner unit which is protected by a filter from the stray light of the laser or to the input element of a flexible optical device which directs the object return radiation to a detector outside the scanner unit (inside or outside the housing). directed with suitable optics.

Die anhand der 8a bis 8e erläuterten Ausführungen sind lediglich beispielhaft. Alle weiteren Anordnungen, die dem Sinn und Geist dieser Erfindung entsprechen, sind ausdrücklich eingeschlossen.The basis of the 8a to 8e explained embodiments are merely exemplary. All other arrangements consistent with the spirit and spirit of this invention are expressly included.

9 Die 3D-Scannanordnung kann als Tisch- bzw. stationäres Gerät oder beliebig anders ausgeführt sein. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung stellt eine bewegliche und flexible Variante dar. Hier wird die 3D-Scannanordnung als Scannkopf ausgeführt, der mit einer Konsole bzw. mit einem Gelenkarm auf einem Fahrgestell befestigt wird. Diese Befestigung erlaubt Bewegungen des Scannkopfes in allen Richtungen und um alle Achsen, so dass der Scannkopf in einer günstigen Position am Objekt fixierbar ist. Im Fahrgestell sind der Rechner, die Steuereinheit und weitere Einheiten wie z. B. die Stromversorgung des Lasers untergebracht. Das Fahrgestell ist mit einer Stellbremse ausgerüstet, um die Lage des Scannkopfes gegenüber dem jeweiligen Objekt zu fixieren. Damit die fixierte Position des Scannkopfgehäuses gegenüber dem Objekt konstant gehalten wird, ist eine Objektkopplung vorgesehen. 9 The 3D scanning device can be designed as a tabletop or stationary device or any other way. An advantageous embodiment of the invention is a mobile and flexible variant. Here, the 3D scanning device is designed as a scanning head, which is attached to a console or with an articulated arm on a chassis. This attachment allows movements of the scanning head in all directions and around all axes, so that the scanning head can be fixed in a favorable position on the object. In the chassis are the computer, the control unit and other units such. B. housed the power supply of the laser. The chassis is equipped with a parking brake to fix the position of the scanning head relative to the respective object. In order for the fixed position of the scanning head housing to be kept constant with respect to the object, an object coupling is provided.

Diese Objektkopplung wird in das Gehäuse eingeschraubt bzw. mit einem anderen Kraftverschluss befestigt. Ihr inneres Teil ist hohl, so dass das Objektiv über das Objekt frei bewegt werden kann. Die Stirnfläche der Objektkopplung (Distalende) ist rau. Die durch Andrücken der Stirnfläche an das Objekt erzeugten Reibungskräfte vermeiden eine eventuelle seitliche Verschiebung des Objekts während einer Messung bzw. eines Bearbeitungsvorgangs. Die senkrechte (Z-Achse) Fixierung wird im Wesentlichen durch Andrücken erreicht, dies kann durch eine Ansaug-, Klebe- oder Spannvorrichtung unterstützt werden.These Object coupling is screwed into the housing or with attached to another force closure. Her inner part is hollow, so that the lens can be moved freely over the object can. The face of the object coupling (distal end) is rough. By pressing the end face against the object generated friction forces avoid any lateral Displacement of the object during a measurement or a Machining operation. The vertical (Z-axis) fixation is in Essentially achieved by pressing, this can be done by a Suction, gluing or clamping device are supported.

Die Stirnfläche weist eine Öffnung auf, die gemeinsam mit den Objektivabmessungen und den Bewegungsspannen der 3D-Verstellung die möglichen Scannfeldabmessungen bestimmt. Wenn beispielsweise beim Multiphotonen-Imaging hochaperturige Immersionsobjektive eingesetzt werden, wird ein Immersionsmedium auf die Objektoberfläche innerhalb der Stirnöffnung gegeben. Bei einer Aufgabe, die über eine seitliche Öffnung der Kopplungselemente möglich ist, wird das Objektiv weggefahren. Danach fährt es in die ursprüngliche Position zurück, um den für eine Messung oder Bearbeitung notwendigen Kontakt zum Immersionsmedium herzustellen.The End face has an opening which together with the lens dimensions and the movement ranges of the 3D adjustment determines the possible scan field dimensions. If, for example used in multiphoton imaging high-aperture immersion objectives become an immersion medium on the object surface given within the frontal opening. For a task over a lateral opening of the coupling elements possible is, the lens is driven away. After that it drives in the original position back to the for a measurement or editing necessary contact to the immersion medium manufacture.

Gemäß der Erfindung wird, wie bereits oben beschrieben, ein Aktivpunkt über ein Objektvolumen nach einem glatten homogenen 3D-Scannmuster gescannt. Das Scannmuster beinhaltet dabei keine Ebenen und ist allein auf das homogene Abscannen des zu messenden Objektvolumens in der kürzesten Zeit gerichtet.According to the Invention, as already described above, an active point on scanned an object volume for a smooth homogeneous 3D scanning pattern. The scan pattern does not contain any layers and is on alone Homogeneous scanning of the object volume to be measured in the shortest time directed.

Für 3D-Kartographieren bzw. -Imaging bzw. -Sondieren werden die für jeden Aktivpunkt erfassten Werte als Datenmassiv gespeichert, dessen Datensätze 3D-Koordinaten der Aktivpunkte und seine Messwerte beinhalten. Zur Auswertung der Messergebnisse werden benötigte 3D- oder 2D-Abbildungen oder Profile entlang einer Linie oder Punktwerte errechnet.For 3D mapping or probing will be those for stored values are stored as a data mass, the Datasets 3D coordinates of the active points and its measured values include. To evaluate the measurement results are needed 3D or 2D images or profiles along a line or scores calculated.

Zum Errechnen der Voxel- oder Pixel- oder Punktwerte werden die Daten aus dem Datenmassiv gewichtet unter Berücksichtigung ihrer Entfernung von der Voxel- bzw. Pixelmitte bzw. dem Punkt und 3D-PSF (Point Spread Function) der Anordnung verwendet. Für unterschiedliche Objekte und Objekttiefen können unterschiedlich gespeicherte 3D-PSF verwendet werden, die vorab gemessen oder simuliert wurden.To calculate the voxel or pixel or point values, the data from the data mass is weighted taking into account their distance from the voxel or pixel center or the point and 3D PSF (Point Spread Function) of the array applies. For different objects and object depths, differently stored 3D PSFs can be used that have been previously measured or simulated.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- US 7009172 [0005, 0005]
DE 102004015488 B4 [0006]
- US 6208886 [0007]

Claims

A method for volumetric scanning of spatial objects, characterized in that a two-dimensional radial scanning movement of one or more active points about a center which is rectilinear or counterclockwise is combined with a movement of the center at least in the third dimension.

Method according to claim 1, characterized in that that the movement is executed as a three-dimensional spiral becomes.

Method according to claim 1, characterized in that that the movement is performed as a helix.

Method according to claim 1, characterized in that that for the scanning process all the active points be taken into account.

Method according to claim 1, characterized in that that the activity points are largely uniform and be moved without abrupt change of the direction of acceleration.

Method according to claim 1, characterized in that that the number of active points in the elementary volume throughout Scanning volume has the same average.

Method according to claim 1, characterized in that that a scanning volume for the entire object in a single Process is recorded.

Method according to claim 1, characterized in that that of those used to carry out the process Scanners at least two 1D scanners operated at resonant frequency become.

Method according to claim 1, characterized in that that of those used to carry out the process Scan at least one 2D scanner with one for both Axes same resonant frequency is operated.

Method according to claim 1, characterized in that used to carry out the method, a rotation scanner becomes.

Method according to at least one of the claims 1 to 10, characterized in that a detection and storage the values for each asset take place that the resulting Data sets (coordinates and measured values) as data massif be stored and that on the basis of this data massively a 2D or 3D image or a profile is calculated, the Relevance of each record to an imaging element (pixels or voxels) based on at least the distance of the corresponding one Active point of the center of the imaging element is determined.

Method according to at least one of the claims 1 to 10, characterized in that a detection and storage the values for each asset take place that the resulting Data sets (coordinates and measured values) as data massif be stored and that on the basis of this data massively a 2D or 3D image or a profile is calculated, the Weight of each record for an imaging element (pixels or voxels) based on at least the distance of the corresponding one Active point of the center of the imaging element and a measured or simulated PSF (Point Spread Function).

Method according to at least one of the claims 1 to 12, characterized in that the method of processing and / or therapy and / or acquisition and / or mapping and / or Probing is used.

Apparatus for volumetric scanning spatial Objects, characterized in that a scanner unit, the two-dimensional generates radial scanning of one or more active points around an axis, with an adjustment that the scanner unit at least along the axis moves, is firmly connected, being a mechanical one Coupling the adjustment with the object their relative movements excludes the object and in which the scanner unit one or two scanners and at least one optical Device that shapes one or more active points and the scanner movements translated into a two-dimensional scan of the one or more active points in the object, encloses.

Device according to claim 14, characterized in that that at least one scanner is a precession or rotation one or more beams containing one or more active points correspond to the axis of the scanner unit generated.

Apparatus according to claim 14, characterized in that a scanning head at least partially envelops the scanner unit and wherein a mechanical coupling of the adjustment and the scanning head with the object their relative movements against the Excludes object.

Device according to claim 14, characterized in that the scanner unit has two identical 1D scanners.

Device according to claim 14, characterized in that that the scanner unit has a 2D scanner with the same axes.

Device according to claim 14, characterized in that the scanner unit has a rotation scanner.

Device according to claim 14, characterized in that that a laser at least partially structurally in the scanner unit is integrated.

Device according to claim 14, characterized in that that a laser at least partially integrated structurally in the scanning head is.

Device according to claim 14, characterized in that that a scanning head is designed to be movable.

Device according to claim 14, characterized in that a detector is at least partially constructional in the scanner unit is integrated.

Device according to claim 14, characterized in that that the scanner unit has a flexible connection with other assemblies having.

Device according to claim 14, characterized in that that the scanner head over a rough face is coupled by friction on the object.

Device according to claim 14, characterized in that that the scanner unit via an immersion medium with the Object is optically coupled.