DE102009019290B4 - Mikroskopvorrichtung - Google Patents
Mikroskopvorrichtung Download PDFInfo
- Publication number
- DE102009019290B4 DE102009019290B4 DE200910019290 DE102009019290A DE102009019290B4 DE 102009019290 B4 DE102009019290 B4 DE 102009019290B4 DE 200910019290 DE200910019290 DE 200910019290 DE 102009019290 A DE102009019290 A DE 102009019290A DE 102009019290 B4 DE102009019290 B4 DE 102009019290B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- detector
- lens
- sample
- microscope device
- light source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 49
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 claims description 30
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 11
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 1
- 230000002996 emotional effect Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/24—Base structure
- G02B21/241—Devices for focusing
- G02B21/245—Devices for focusing using auxiliary sources, detectors
- G02B21/247—Differential detectors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/06—Means for illuminating specimens
- G02B21/08—Condensers
- G02B21/082—Condensers for incident illumination only
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/16—Microscopes adapted for ultraviolet illumination ; Fluorescence microscopes
Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroskopvorrichtung mit einem Objektiv, einer Lichtquelle zum Beleuchten einer Probe, einer Optik zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts in das Objektiv und einem Begrenzungselement, um den in das Objektiv einzukoppelnden Beleuchtungslichtstrahl zu begrenzen.
- In der Mikroskopie ist es grundsätzlich wünschenswert, die Fokussierung der Probe bezüglich des Objektivs in einfacher Weise bewerkstelligen zu können und eine einmal gefundene Fokusposition der Probe auch dann noch konstant zu halten, wenn sich die Probe (gewollt oder ungewollt) relativ zum Objektiv bewegt.
- Hierzu wird bei bekannten Mikroskopvorrichtungen gewöhnlich auf Messlicht zurückgegriffen, das von einer Grenzfläche des das Präparat haltenden Probengefäßes zurückreflektiert wird. Um dabei die eigentliche Probenbeobachtung nicht zu stören und Bilder nicht zu verfälschen, setzt man üblicherweise einen Infrarot-Laser als Messlichtquelle ein, dessen Rückreflexe gemessen werden. In den meisten Fällen wird als reflektierende Fläche die Grenzfläche zwischen dem Deckglas und dem das Präparat einbettenden Medium verwendet.
- Dabei muss der für die Infrarot-Lasermessung erforderliche Messlichtbeleuchtungs- und Messlichtmessstrahlengang – zusätzlich zu den anderen Strahlengängen – in das Mikroskop ein- bzw. ausgekoppelt werden. Geschieht dies da, wo in einem Mikroskop üblicherweise Platz ist und Auflicht- bzw. Bildstrahlengang leicht zugänglich sind, d. h. vom Objektiv aus gesehen hinter dem für beispielsweise eine Auflichtfluoreszenzmessung benötigten dichroitischen Strahlteiler, müssen alle Strahlteiler und Sperrfilter zusätzlich zur für die Fluoreszenzmessung erforderlichen spektralen Charakteristik auch noch ein spektrales Fenster für den Infrarot-Laser für die Fokusmessung aufweisen. Da dies eine ernsthafte Einschränkung bedeutet, sind einige Mikroskophersteller mittlerweile dazu übergegangen, zusätzlichen Raum zwischen Objektiv und Strahlteiler zu schaffen, um das Infrarot-Laserfokusmesslicht dort einzukoppeln.
- Beispiele für Mikroskope mit separater Infrarot-Lichtquelle zur Fokusmessung sind in der
US 4,025,785 und derDE 102 34 757 B4 zu finden. - In der
EP 0 273 717 A2 ist ein Mikroskop beschrieben, bei welchem ein separater He-Ne-Laser als Lichtquelle für die Fokusmessung verwendet wird. - In der
WO 01/88599 A1 - Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der
DE 33 39 970 A1 bzw. aus derUS 2007/0138371 A1 - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine TIRF-Mikroskopvorrichtung zu schaffen, bei welcher auf möglichst einfache Weise die Fokusposition kontrolliert werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 1.
- Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, dass keine zusätzliche Lichtquelle erforderlich ist, weil das für den Betrieb des Mikroskops ohnehin vorhandene Beleuchtungslicht zur Fokusmessung verwendet werden kann. Man bedient sich dabei der Tatsache, dass ein räumlich begrenzter Beleuchtungsstrahl nach Reflexion an der Probengrenzfläche eine Referenzfläche räumlich versetzt passiert und dass dieser Strahlversatz für einen bestimmten Einstrahlwinkel (α) vom Grad der Defokussierung (Δ) abhängt, wie dies schematisch aus
8 ersichtlich ist. - Die Erfindung beinhaltet eine geeignete Auskoppel- und Detektoranordnung, mittels der von der Probengrenzfläche reflektiertes und die Einkoppeloptik rückwärts durchlaufendes Beleuchtungslicht aufgefangen und in ein Messsignal überführt werden kann, das sich in Abhängigkeit von der Fokus-Position verändert. Da dies erfindungsgemäß keine zusätzliche Lichtquelle erforderlich macht, ist naturgemäß immer der passende Strahlteiler im Strahlengang, was den Einsatz spezieller Filterkombinationen, beispielsweise mit einem spektralen Fenster für Infrarotlicht zur Fokusmessung, vermeidet. Es wird nicht nur der Einsatz in allen handelsüblichen Mikroskopen, bei denen zwischen Objektiv und Strahlteiler Extraraum geschaffen wurde, ermöglicht, sondern es wird auch eine kompaktere Bauart des Fokustriebs ermöglicht, der dadurch stabiler ausgelegt sowie schneller und präziser bewegt werden kann.
- Vorzugsweise erfolgt die Strahlauskopplung aus dem reflektierten Strahl an einer Stelle, an der der Beleuchtungsstrahl gar nicht oder nur so beeinflusst wird, dass das vom Auge oder der Kamera gesehene Gesichtsfeld nicht obstruiert wird. Im folgenden wird eine Realisierungsform beschrieben, die diese Anforderungen erfüllt.
- Erfindungsgemäß ist die Mikroskopvorrichtung für eine TIRF-Beleuchtung der Probe ausgebildet. Dabei ist die Optik zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts in das Objektiv so ausgebildet, dass das Beleuchtungslicht in der Ebene der Objektivpupille einen Fokus besitzt, dessen Position in der Pupillenebene den Beleuchtungswinkel vorgibt, unter dem die Probe beleuchtet wird. Dieser (in zwei Dimensionen variable) Fokuspunkt wird durch eine telezentrische Anordnung zweier Linsen (von der die zweite eine Tubuslinse ist) in die Objektivpupille abgebildet. Das Auskoppelelement ist ein im Unendlichraum zwischen den beiden Linsen angeordneter Strahlteiler, der nur einen winzigen Bruchteil des auftreffenden Lichts reflektiert und diesen auf zwei verschiedene Detektoren richtet, einen, der den Bruchteil des eingestrahlten (Beleuchtungs-)Lichts „sieht”, und einen zweiten, der das von der Probengrenzfläche reflektierte Licht detektiert. Vor den Detektoren befindet sich jeweils ein als Blende ausgelegtes Selektionselement, das bei einer in der Objektiv-Pupille zentrierten Fokusposition den geringsten Teil des auftreffenden Lichts passieren lässt. Die Lichtmenge, die der Detektor für das von der Probengrenzfläche reflektierte Licht detektiert, ändert sich mit der Position des Fokuspunktes in der Objektivpupille und nimmt dramatisch zu, sobald der TIRF-Winkel (d. h. der Winkel der Totalreflexion) überschritten ist. Je steiler dieser Übergang ist, um so besser ist der Fokus in der Objektivpupille ausgebildet, und bei einem einmal eingestellten vorgegebenen TIRF-Winkel hängt das Detektorsignal nur noch von der relativen Fokusposition ab. Im Spezialfall von TIRF erlaubt es diese Meß-Variante, die wie die vorher aufgeführten auch nur das Anregungslicht als Meßlicht benötigt, nicht nur die Fokusposition bei einem gegebenen TIRF-Winkel zu bestimmen, sondern auch den TIRF-Winkel bei einer vorgegebenen Fokusposition sowie die Güte der Fokussierung in der Objektivpupille. Um ein Referenzsignal zu haben, wird ein Bruchteil des Anregungslichts vom gleichen Auskoppelelement (Strahlteiler) auf einen zweiten Detektor gelenkt, vor dem ein analoges Begrenzungselement (Blende) angebracht ist. Diese Blende ist so angeordnet, dass das Signal aufgrund einer vom TIRF-Winkel abhängigen Überstrahlung der Maske vom TIRF-Winkel, d. h. von der Dezentrierung der Lichtquelle, abhängt.
- Vorzugsweise ist eine Steuereinheit vorgesehen, um das Signal der beiden Detektoren zu vergleichen, um den TIRF-Übergang festzustellen, wobei die Steuereinheit zweckmäßigerweise so ausgebildet ist, dass der TIRF-Übergang festgestellt wird, wenn die Signale der beiden Detektoren in etwa gleich groß sind, wobei die Intensität der Lichtquelle in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Signale der beiden Detektoren so gesteuert wird, dass die Intensität der Lichtquelle nach erfolgtem TIRF-Übergang erhöht wird.
- Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1A bis1E eine Seitenansicht des Strahlengangs eines ersten Beispiels einer erfindungsgemäßen Mikroskopvorrichtung, die nicht unter vorliegende Erfindung fällt, mit (A) in der Fokusebene, (B) vor der Fokusebene bzw. (C) hinter der Fokusebene des Objektiv befindlicher Probengrenzfläche, wobei in den1A ,1B und1D jeweils der die obere Hälfte der Objektivpupille passierende Teil des Eintrittsstrahls und in den1C und1E der den unteren Teil der Objektivpupille passierende Teil des Eintrittsstrahls gezeigt ist; -
2A bis2C schematisch das Signal der ersten Detektorhälfte, der zweiten Detektorhälfte bzw. das Differenzsignal der beiden Detektorhälften in Abhängigkeit von der Fokusposition der Probengrenzfläche; -
3 eine Ergänzung der Ausführungsform gemäß1A bis1E , die nicht unter vorliegende Erfindung fällt; -
4A und4B eine Seitenansicht des Strahlengangs eines zweiten Beispiels eines Mikroskops, das nicht unter vorliegende Erfindung fällt, mit in der Fokusebene bzw. vor der Fokusebene des Objektivs befindlicher Probengrenzfläche; -
5 eine Seitenansicht des Strahlengangs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikroskopvorrichtung mit zentriertem Beleuchtungs-Spot und im Fokus des Objektivs befindlicher Probengrenzfläche; -
6 die Anordnung von5 mit dezentriertem Beleuchtungs-Spot; -
7 schematisch die Signale der beiden Detektoren in Abhängigkeit vom TIRF-Winkel; und -
8 eine schematische Darstellung des Parallelversatzes des an einer Probengrenzfläche reflektierten Strahls in Abhängigkeit von der Defokussierung des Objektivs. - In den
1A bis1E ist ein Beispiel einer nicht unter die vorliegende Erfindung fallenden Mikroskopvorrichtung gezeigt, die ein Objektiv10 mit einer Objektpupille12 , eine Tubuslinse14 , eine Beleuchtungslichtquelle16 zum Beleuchten einer Probenfläche18 , sowie eine schematisch dargestellte Optik20 zur Beleuchtung der Feldblendenebene22 mit Hilfe der Lichtquelle16 aufweist. Vom gesamten Auflichtstrahlengang ist in der Schemazeichnung nur ein Strahlenbündel24 gezeigt, das sich in der Feldblendenebene vereint und ein Strahlbegrenzungselement26 mit einer Begrenzungskante28 gerade noch passiert. Das Strahlbegrenzungselement26 hat die Funktion, den in das Objektiv10 einzukoppelnden Beleuchtungsstrahl24 seitlich so zu begrenzen, dass das Gesichtsfeld des Mikroskop-Detektors (nicht gezeigt) in der Objektebene18 gerade nicht eingeschränkt wird. Die dem Objektiv10 zugewandte Fläche30 des Begrenzungselements26 ist reflektierend ausgebildet, um gegebenenfalls von der Probenfläche18 reflektiertes Beleuchtungslicht32 auf einen Dualdetektor34 (in1A nicht dargestellt) mit zwei Hallten bzw. Sektoren34a und34b zu reflektieren. Dabei ist eine Linse36 vorgesehen, die zusammen mit der Tubuslinse14 das auf der Grenzfläche30 reflektierte Licht auf dem Detektor34 leitet und zwar dergestalt, dass sich der Detektor34 in einer zur Fokusebene38 des Objektivs10 konjugierten Ebene befindet. Das Begrenzungselement26 kann, wie gezeigt, als Prisma ausgebildet sein. - Sofern sich nun, wie in
1A gezeigt, eine reflektierende Grenzfläche18 der Probe genau in der Fokusebene38 des Objektivs10 befindet, wird das Beleuchtungsstrahlenbündel24 , das auf dem Hinweg das Begrenzungselement26 gerade noch passiert, so zurückreflektiert, dass es in der Feldblendenebene22 wieder an seinem Ausgangspunkt landet, d. h. es wird durch die Kante28 des Begrenzungselements26 nicht beeinträchtigt, sondern kann ungehindert passieren. Somit wird kein Anteil des in der Fokusebene38 befindlichen Probengrenzfläche18 reflektierten Lichts auf den Detektor34 reflektiert. Zur Verdeutlichung der Darstellung ist in1A sowie in den1B und1D jeweils nur die den oberen Teil der Objektivpupille12 passierende Hälfte des Beleuchtungsstrahlenbündels24 und die den unteren Teil der Objektivpupille12 passierende Teil des reflektierten Lichtbündels32 gezeigt. Gemäß der Definition der Schemazeichnung besitzt der Winkel α dieser Hälfte des Beleuchtungslichts ein positives Vorzeichen, der Winkel des reflektierten Lichts entsprechend ein negatives Vorzeichen. - Befindet sich die Fokusebene
38 des Objektivs10 dagegen in der Probe, d. h. kommt die Fokusebene38 des Objektivs10 jenseits der reflektierenden Probenfläche18 zu liegen, (siehe1B und1C ), landet das reflektierte Strahlenbündel32 dadurch zumindest teilweise auf dem Begrenzungselement26 , d. h. der reflektierenden Fläche30 und wird aus dem Strahl ausgekoppelt und auf den Detektor34 gelenkt. Der ausgekoppelte Teil des reflektierten Strahls32 ist mit40 bezeichnet. Die beiden Hälften34a und34b des Detektors34 sind so positioniert, dass sie ein scharfes Bild der oberen Hälfte der Pupille12 (in der Detektorhälfte34a ) bzw. der unteren Hälfte der Pupille12 (in der Detektorhälfte34b ) erfassen. Wie34a , reflektiertes Licht, das die obere Pupillenhälfte passiert auf Detektorhälfte34b landet. Wie groß der Anteil des ausgekoppelten Strahls40 ist, hängt vom Grad der Defokussierung, d. h. vom Abstand z der reflektierenden Probenfläche18 von der Fokusebene38 , ab. - Umgekehrt ist die Situation bei der in den
1B und1E gezeigten Defokussierung in die entgegengesetzte Richtung, wo dann die Detektorhälfte34a nicht auf die Defokussierung anspricht, während nun die Detektorhälfte34b mit zunehmender Defokussierung eine größere Lichtmenge erhält und das Signal entsprechend ansteigt, da die reflektierenden Fläche30 nur Licht aufsammeln kann, das mit Winkeln α < 0 auf die Probengrenzfläche18 trifft und dessen Probenrückreflex demnach auf der Detektorhälfte34b landet. - Zusammengefasst wird die Situation in der
18 genau in der Fokusebene38 des Objektivs10 , sehen beide Detektorhälften34a und34b kein Licht. Liegt die Fokusebene38 in der Probe, dann sieht nur Detektor34a ein Signal, das kontinuierlich abnimmt je mehr sich der Objektivfokus der Grenzfläche nähert. Der Detektor34b sieht derweil kein Signal. Das ändert sich beim „Null-Durchgang”, d. h. wenn der Objektiv-Fokus38 sich durch die Probengrenzfläche18 bewegt. Von diesem Punkt an sieht Detektor34b ein stetig zunehmendes Signal, während Detektor34a kein Signal mehr sieht. Somit ergibt die Differenz der Signale (2C ) der Detektoren34a (2A ) und34b (2B ) ein stetig mit der Fokusposition variierendes Signal. - Um das Detektorsignal unabhängig von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle
16 zu machen, wird vorzugsweise ein Referenzsignal registriert. Dies kann gemäß3 beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Referenzsignal-Auskoppelelement, welches aus einer zweiten reflektierenden Fläche44 des Begrenzungselements26 gebildet wird, und ein Referenzsignal-Detektor46 vorgesehen werden, wobei die Fläche44 so angeordnet ist, dass ein Teil48 des einfallenden Beleuchtungslichtstrahls24 vor dem Eintritt in die Einkoppeloptik des Objektivs10 auf den Referenzsignal-Detektor46 ausgekoppelt wird (der ausgekoppelte Teil48 des Beleuchtungslichts würde dabei ohnehin außerhalb des genutzten Gesichtsfelds ankommen). Auf diese Weise kann das Signal des Detektors34 bezüglich der Intensität des Beleuchtungslichts kalibriert werden. - In den
4A und4B ist ein alternatives, nicht unter die vorliegende Erfindung fallendes Beispiel gezeigt. Während bei dem Beispiel gemäß1A bis1E das Auskoppelelement30 in der Feldebene22 (d. h. in einer zur Objektebene konjugierten Ebene) und der Detektor34 in einer zur Objektivpupille12 konjugierten Ebene angeordnet ist, ist bei dem Beispiel gemäß4A und4B das Auskoppelelement130 in einer zur Objektivpupille12 konjugierten Ebene angeordnet, während sich der Detektor34 in einer zur Objektebene38 bzw. Feldblendenebene22 konjugierten Ebene befindet. Gemäß4A und4B befinden sich Strahlbegrenzungselement122 und Auskoppelelement130 in unterschiedlichen Ebenen. Letzteres befindet sich in der Ebene150 , einer zur Objektivpupille12 konjugierten Ebene. Dort entspricht jeder Punkt genau einem Strahl-Winkel im Raum jenseits des Objektivs10 . Somit enthält der vom Auskoppelelement130 ausgekoppelte Anteil des an der Probenfläche18 reflektierten Beleuchtungslichtstrahls132 nur die Winkelanteile „α”, die der Position des Auskoppelelements130 in der zur Objektivpupille12 konjugierten Ebene150 entsprechen. Im in4A und4B gezeigten Beispiel sind das nur Winkel „α”, die mit negativem Vorzeichen auf die Probengrenzfläche18 auftreffen und mit positivem Vorzeichen reflektiert werden. Die entsprechenden Winkel des Beleuchtungslichts124 mit umgekehrten Vorzeichen (α > 0) werden auf „dem Hinweg” aus dem Strahl entfernt, d. h. die Probe wird mit keiner symmetrischen Winkelverteilung beleuchtet. Das tut der Homogenität der Beleuchtung jedoch keinen Abbruch. - Die Fläche des Dualdetektors
34 mit den beiden Detektorhälften34a und34b befindet sich in einer zur Fokusebene38 des Objektivs10 und zur Feldblendenebene22 konjugierten Ebene152 . Zum Abbilden des reflektierten Beleuchtungslichts132 ist eine Linse154 zwischen dem Auskoppelelement130 und dem Detektor134 vorgesehen. Zwischen der zur Objektivpupille12 konjugierten Ebene150 und der Feldblendenebene22 ist eine Linse156 angeordnet, in deren Brennebene die Ebene150 liegt. Die Linse156 dient zusammen mit der Tubuslinse14 dazu, das Beleuchtungslicht auf die Objektivpupille12 zu fokussieren. - Das Auskoppelelement
130 kann beispielsweise als Prisma ausgebildet sein. - Bei der gezeigten Anordnung kann das Bild der Feldblende
122 , das zuerst mit Hilfe der Linsen14 (Tubuslinse) und10 (Objektiv) auf die Probe abgebildet, dort reflektiert, von den Linsen10 und14 rückwärts in die Feldblende122 und danach von den Linsen156 und154 auf den Dualdetektor34 abgebildet wurde, dort nur dann dort vollständig detektiert werden, wenn sich die reflektierende Fläche18 genau in der Fokusebene38 des Objektivs10 befindet. Sobald das Bild der Feldblende122 nicht mehr in der Fokusebene18 des Objektivs liegt, ändert sich die Verteilung der Menge des auf die beiden Detektorhälften34a und34b fallenden reflektierten Beleuchtungslichts132 in Abhängigkeit von der Fokusposition. - In dem in
4A gezeigten Fall, in welchem die Probenfläche18 genau in der Fokusebene38 angeordnet ist, passiert der reflektierte Strahl132 die Feldebenenblende22 in symmetrischer Weise, was zu einer symmetrischen Verteilung des Reflexbilds auf dem Detektor34 führt, so dass hier die Differenz des Signals der beiden Detektorhälften34a und34b gleich Null ist. Tritt dagegen eine Defokussierung, wie in4B gezeigt, auf, so wird der reflektierte Strahl132 gegenüber dem einfallenden Strahl124 senkrecht zur Strahlachse versetzt, was zu einer asymmetrischen Beleuchtung des Detektors34 und damit zu einem von der Fokusposition abhängigen Differenzsignal der beiden Detektorhälften34a und34b führt. Letztlich wandert hier das Abbild der Begrenzungskante einer als Begrenzungselement im einfallenden Lichtstrahl124 wirkenden Feldblende (in4 ist ein Begrenzungselement122 in einer ersten Feldblendenebene22 angebracht, es kann sich jedoch auch in einer zur Ebene22 konjugierten Ebene befinden) in Abhängigkeit von der Fokusposition über den Detektor34 , und zwar in einer Richtung senkrecht zur Trennungslinie zwischen den beiden Detektorhälften34a und34b . Dadurch nimmt das Signal auf der einen Detektorhälfte ab, während es auf der anderen Detektorhälfte konstant bleibt (in der in4b gezeigten Konstellation) oder zunimmt, wenn nämlich das Begrenzungselement bereits in einer „früheren” konjugierten Ebene angebracht ist (nicht gezeigt). Bei dieser Variante benötigt man kein zusätzliches Referenzsignal, man kann stattdessen die Summe der beiden Kanäle, d. h. der Detektorhälften34a und34b , als Referenz hernehmen, während die Differenz der beiden Detektorhälften34a und34b das fokusabhängige Signal ergibt. - In
5 bis7 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die speziell für TIRF (Total Internal Reflection Fluorescence) geeignet ist. TIRF wird gewöhnlich mit Hilfe von kollimiertem Licht einer kohärenten (Laser-)Lichtquelle durchgeführt, wobei im TIRF-Modus, d. h. nach Überschreiten des kritischen Winkels der Totalreflexion, nicht nur ein geringer Bruchteil, sondern das gesamte eingestrahlte Licht an der Probengrenzfläche18 reflektiert wird. Dabei ist die Position des „Auskoppelelements” für den Fokus-Positionsdetektor bei weitem unkritischer als im Falle inkohärenter Beleuchtung. Das im folgenden beschriebene Konzept dient nicht nur dem Zweck, eine gewünschte Fokusposition zu finden und zu bewahren, sondern erlaubt darüber hinaus auch eine Optimierung des TIRF-Beleuchtungsstrahls. - Bei der Anordnung gemäß
5 ist eine Beleuchtungslichtquelle216 in einer zur Pupillenebene12 des Objektivs10 konjugierten Ebene angeordnet. Bei der Anordnung gemäß5 ist die Lichtquelle216 dabei im Brennpunkt einer Linse256 angeordnet, die einen Unendlichraum zwischen der Linse256 und der Tubuslinse14 erzeugt, in welchem ein Auskoppelelement230 angeordnet ist, welches ein Großteil, z. B. 99%, des einfallenden Lichts von der Lichtquelle216 durchlässt und lediglich den verbleibenden kleinen Rest248 des Anregungslichts224 auf einen Detektor235 reflektiert. Der durchgelassene einfallende Lichtstrahl124 gelangt nach Durchlaufen der Tubuslinse14 , der Objektivpupille12 und des Objektivs10 auf die Probenfläche18 , wo im Normalfall (nicht TIRF) ein relativ kleiner Teil des Lichts reflektiert wird und rückwärts durch die genannten Elemente10 ,12 ,14 und22 auf das Auskoppelelement230 gelangt, wo – analog zum „Hinweg ein Großteil, z. B. 99%, des von der Probengrenzfläche18 reflektierten Lichts232 durchgelassen werden und lediglich der verbleibende kleine Rest248 des reflektierten Lichts232 auf einen zweiten Detektor234 reflektiert werden. Die Detektoren234 und235 sind jeweils mit einer Maske236 bzw.237 versehen, deren Position und Größe so bemessen ist, dass die Detektoren234 und235 ein maximales Signal sehen, wenn das Feld unter einem Winkel von 0° beleuchtet wird, d. h. wenn der einfallende Strahl124 perfekt zentriert ist, wie dies in5 gezeigt ist. Da unter solchen Bedingungen keine totale interne Reflexion stattfindet, wird das Signal auf dem Detektor234 deutlich schwacher sein als das Signal auf Detektor235 . Letzteres wird ca. 1% des eingestrahlten Lichts betragen, während ersteres um den Prozentsatz reduziert sein wird, den die Probengrenzfläche18 durchgelassen d. h. nicht reflektiert hat. - Rückt man nun gemäß
6 den Fokus des Beleuchtungsstrahls, d. h. die Lichtquelle216 , in der Ebene250 aus ihrer zentralen Position in der Brennebene der Linse256 heraus in eine Vektorposition „x”, ändert sich entsprechend der Winkel α in der Fokusebene38 des Objektivs10 . Damit werden sowohl der einfallende Strahl224 als auch der reflektierte Strahl232 im Unendlichraum zwischen den Linsen256 und14 so gekippt, dass sie nur noch in der Blendenebene22 vollständig überlappen, davor und dahinter jedoch auseinanderlaufen. Entsprechend landen sie auch räumlich versetzt auf den Detektormasken236 bzw.237 . Dadurch sehen die beiden Detektoren234 und235 ein entsprechend reduziertes Signal. Die Signalreduktion ist in beiden Fällen ein Maß für den Betrag des Vektors x. Sobald jedoch der Versatz x groß genug ist, um das Einsetzen der totalen internen Reflexion zu ermöglichen, d. h. sobald x und damit α einen kritischen Wert überschreiten, wird die Intensität des zurückreflektierten Strahls232 dramatisch zunehmen. - Die von den beiden Detektoren registrierte Intensität wird deshalb in der in
7 gezeigten Weise vom Winkel α (bzw. der Größe des Vektors x) abhängen. Das gilt für jeden Winkel β, mit dem α variiert werden kann (für eine vorgegebene Dezentrierung α bzw. x gibt β den Winkel des Vektors x um die optische Achse11 an; der Winkel β spielt wegen der fehlenden Rotationssymmetrie der Anordnung hinsichtlich der Detektoren234 ,235 und des Auskoppelelements230 eine Rolle). - Wenn man eine „Landkarte” der Signale der Detektoren
234 und235 als Funktion der Winkel α und β erzeugt, lässt sich daraus die Zentrierung des einfallenden TIRF-Strahls und somit der genaue TIRF-Winkel bestimmen. Aus der Steilheit des TIRF-Übergangs, d. h. der Steilheit der Abhängigkeit der Detektorsignale vom Winkel α, lässt sich zudem bestimmen;, wie gut die Lichtquelle216 in der Pupillenebene12 des Objektivs fokussiert ist. Je besser der Fokus, um so „schneller” setzt TIRF ein und umso schneller nimmt das Detektorsignal mit zunehmendem Vektor x zu, wenn man sich dem kritischen Winkel annähert. - Bei festem Winkel α bzw. β hängt das Detektorsignal in charakteristischer Weise von dem Abstand der reflektierenden Probenfläche
18 von der Objektivfokusebene38 ab. Deshalb kann das Detektorsignal auch dazu herangezogen werden, eine gewünschte Fokusposition zu finden und zu erhalten. Hierbei stellt die Signalamplitude jedoch nur dann ein eindeutiges Maß für die Fokusposition dar, wenn man genau weiß, wo man sich auf der Polarkoordinatenlandkarte von x (bzw. α) und β in der Ebene250 befindet. - Ferner können die Detektorsignale zum Aufbau einer Lasersicherheitsschaltung herangezogen werden, wobei das Vorwärtssignal (d. h. das Signal des Detektors
235 ) mit dem Rückwärtssignal (d. h. dem Signal des Detektors234 ) verglichen wird, und erst wenn die beiden Signale annähernd gleich groß sind, d. h. wenn TIRF eingesetzt hat und das Laserlicht die Probe nicht mehr verlassen und somit keinen Schaden mehr anrichten kann, wird die Laserleistung auf den vollen gewünschten Wert gesteigert. Davor, d. h. während der TIRF-Einstellung, wird sie automatisch auf einem Wert belassen, der der sicheren Laserklasse1 entspricht. - Zur Realisierung einer solchen Sicherheitsschaltung kann eine Steuereinheit
260 vorgesehen sein, welche das Signal der beiden Detektoren234 ,235 vergleicht und die Intensität der Lichtquelle216 in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Signale der beiden Detektoren234 ,235 so steuert, dass sich die Intensität der Lichtquelle nach erfolgtem TIRF-Übergang erhöht, wobei der TIRF-Übergang festgestellt wird, wenn die Signale der beiden Detektoren234 ,235 in etwa gleich groß sind. - Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass bei den gezeigten Beispielen natürlich auch ein Detektor zum Erfassen des Emissionslichts von der Probe und ein üblicherweise zwischen der Tubuslinse
14 und der Objektivpupille12 Hauptstrahlteiler vorgesehen sind, die jedoch in den Figuren nicht dargestellt sind. Es versteht sich, dass, wie bereits erwähnt, für die erfindungsgemäße Fokusmessung keine separate Lichtquelle erforderlich ist, sondern ein Teil des Lichts der für die Fluoreszenzmessung erforderlichen Beleuchtungs/Anregungslichtquelle verwendet wird. Außerdem sei erwähnt, dass die beschriebenen Anordnungen auch bei Durchlichtmessungen zur Fokusfindung und Bewahrung herangezogen werden können, man muss dazu lediglich für die Dauer der Fokusmessung das Fluoreszenz-Anregungslicht einschalten.
Claims (13)
- Mikroskopvorrichtung, mit einem Objektiv (
10 ), einer Tubuslinse (14 ), einer Lichtquelle (16 ,216 ) zum Beleuchten einer Probe, einer Optik (20 ,156 ,256 ) zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts in das Objektiv, einem feldbegrenzenden Begrenzungselement (26 ,122 ), einem Detektor (34 ,234 ) für an einer Probengrenzfläche (18 ) reflektiertes Beleuchtungslicht (32 ,32' ,132 ,232 ), sowie einem Auskoppelelement (30 ,130 ,230 ), um einen Teil des von der Probenoberfläche reflektierten und mindestens einen Teil der Einkoppeloptik rückwärts durchlaufenden Beleuchtungslichts auf den Detektor zu lenken, wobei die Anordnung Begrenzungselement, Auskoppelelement und Detektor so gewählt ist, dass sich die Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts auf der Detektorfläche in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen Objektiv und Probengrenzfläche verändert, so dass das Detektorsignal ein Maß für die Fokussierung des Objektivs bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroskopvorrichtung für eine TIRF-Beleuchtung der Probe ausgebildet ist, dass die Optik zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts (224 ) in das Objektiv (10 ) ausgebildet ist, um das Beleuchtungslicht in die Ebene der Objektivpupille (12 ) zu fokussieren, dass der Beleuchtungswinkel (α) der Probe von der Position des fokussierten Beleuchtungslichts in der Pupillenebene abhängt, und dass die Beleuchtungslichtquelle (216 ) oder deren Bild (Fokuspunkt) azentrisch bezüglich der optischen Achse angeordnet werden kann, um den Beleuchtungswinkel (α) einstellbar machen zu können. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement (
230 ) in einem Unendlichraum für das Beleuchtungslicht (224 ) angeordnet ist. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik zum Einkoppeln des Beleuchtungslichts (
224 ) in das Objektiv (10 ) die Tubuslinse (14 ) und eine weitere abbildende Linse (256 ) umfasst, in deren Brennebene die Beleuchtungslichtquelle (216 ) oder deren Bild (Fokuspunkt) angeordnet ist, wobei die Position des fokussierten Beleuchtungslichts in der Pupillenebene von der Position der Lichtquelle oder deren Bild (Fokuspunkt) in der Brennebene der weiteren Linse (256 ) abhängt. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement von einem Strahlteiler (
230 ) gebildet wird, der im Unendlichraum zwischen der weiteren Linse (256 ) und der Feldblendenebene (22 ) angeordnet ist. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (
234 ) so angeordnet ist, dass er vom Auskoppelelement (230 ) ausgekoppeltes, von der Probengrenzfläche (18 ) rückreflektiertes Licht aufsammelt (232 ) und die Position der Begrenzung dieses reflektierten Beleuchtungslichtstrahls (232 ) auf der Detektorfläche vom Beleuchtungswinkel (α) der Probe und von dem Abstand zwischen Objektiv (10 ) und Probengrenzfläche (18 ) abhängt. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (
234 ) eine Maske (236 ) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie in Abhängigkeit vom Beleuchtungswinkel (α) der Probe unterschiedlich stark überstrahlt wird. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (
234 ) so angeordnet ist, dass die Steilheit des TIRF-Übergangs ein Maß für die Güte der Fokussierung der Beleuchtungslichtquelle216 in der Objektivpupille (12 ) ist und somit dazu herangezogen kann, eventuell notwendige Nachfokussierungen zu regeln. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das im Unendlichraum angebrachte Auskoppelelement (
230 ) einen Teil (248 ) des in das Objektiv (10 ) einzukoppelnden Lichts auf einen zweiten Detektor (235 ) ablenkt, der eine Maske (237 ) aufweist, die so angeordnet ist, dass das Signal des zweiten Detektors aufgrund einer von der Dezentrierung der Lichtquelle (216 ) abhängigen Überstrahlung der Maske von der Dezentrierung der Lichtquelle abhängt. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale der beiden Detektoren (
234 ,235 ) bei vorgegebener Position der Lichtquelle (216 ) in der Brennebene (250 ) der weiteren Linse (256 ) aufgrund der von dem Abstand der Probenfläche (18 ) von dem Objektiv (10 ) abhängigen Überstrahlung der Masken (236 ,237 ) vom Abstand der Probengrenzfläche18 von der Fokusebene (38 ) des Objektivs (10 ) abhängen. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Masken (
236 ,237 ) so angeordnet und ausgebildet sind, dass das Detektorsignal ein lokales Maximum aufweist, wenn die Lichtquelle (216 ) bezüglich der weiteren Linse (256 ) zentriert ist. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (
260 ) vorgesehen ist, um das Signal der beiden Detektoren (234 ,235 ) zu vergleichen, um den TIRF-Übergang festzustellen. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
260 ) so ausgebildet ist, dass der TIRF-Übergang festgestellt wird, wenn die Signale der beiden Detektoren (234 ,235 ) in etwa gleich groß sind. - Mikroskopvorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
260 ) ausgebildet ist, um die Intensität der Lichtquelle (216 ) in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Signale der beiden Detektoren (234 ,235 ) so zu steuern, dass die Intensität der Lichtquelle nach erfolgtem TIRF-Übergang erhöht wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200910019290 DE102009019290B4 (de) | 2009-04-30 | 2009-04-30 | Mikroskopvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200910019290 DE102009019290B4 (de) | 2009-04-30 | 2009-04-30 | Mikroskopvorrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102009019290A1 DE102009019290A1 (de) | 2010-11-18 |
DE102009019290B4 true DE102009019290B4 (de) | 2011-09-01 |
Family
ID=42978953
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE200910019290 Active DE102009019290B4 (de) | 2009-04-30 | 2009-04-30 | Mikroskopvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102009019290B4 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019113975B4 (de) | 2019-05-24 | 2023-10-19 | Abberior Instruments Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Fokuszustands eines Mikroskops sowie Mikroskop |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4025785A (en) * | 1974-05-13 | 1977-05-24 | Carl Zeiss-Stiftung | Method of and apparatus for the automatic focusing of stereoscopic microscopes |
DE3339970A1 (de) * | 1983-11-04 | 1985-05-15 | Karl Süss KG, Präzisionsgeräte für Wissenschaft und Industrie GmbH & Co, 8046 Garching | Einrichtung zum automatischen fokussieren von optischen geraeten |
EP0273717A2 (de) * | 1986-12-25 | 1988-07-06 | Mitaka Kohki Co., Limited | Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen automatischen Fokussierung |
WO2001088599A1 (de) * | 2000-05-18 | 2001-11-22 | Carl Zeiss Jena Gmbh | Autofokussiereinrichtung für optische geräte |
DE10234757B4 (de) * | 2002-07-30 | 2004-08-26 | Leica Microsystems Semiconductor Gmbh | Autofokusmodul für Mikroskopbasierte Systeme |
US20070138371A1 (en) * | 2005-12-20 | 2007-06-21 | Marshall Daniel R | Distance measuring system |
-
2009
- 2009-04-30 DE DE200910019290 patent/DE102009019290B4/de active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4025785A (en) * | 1974-05-13 | 1977-05-24 | Carl Zeiss-Stiftung | Method of and apparatus for the automatic focusing of stereoscopic microscopes |
DE3339970A1 (de) * | 1983-11-04 | 1985-05-15 | Karl Süss KG, Präzisionsgeräte für Wissenschaft und Industrie GmbH & Co, 8046 Garching | Einrichtung zum automatischen fokussieren von optischen geraeten |
EP0273717A2 (de) * | 1986-12-25 | 1988-07-06 | Mitaka Kohki Co., Limited | Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen automatischen Fokussierung |
WO2001088599A1 (de) * | 2000-05-18 | 2001-11-22 | Carl Zeiss Jena Gmbh | Autofokussiereinrichtung für optische geräte |
DE10234757B4 (de) * | 2002-07-30 | 2004-08-26 | Leica Microsystems Semiconductor Gmbh | Autofokusmodul für Mikroskopbasierte Systeme |
US20070138371A1 (en) * | 2005-12-20 | 2007-06-21 | Marshall Daniel R | Distance measuring system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102009019290A1 (de) | 2010-11-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3828381C2 (de) | Verfahren und Einrichtung zur automatischen Fokussierung eines optischen Systems | |
DE3219503C2 (de) | Vorrichtung zum selbsttätigen Fokussieren auf in optischen Geräten zu betrachtende Objekte | |
EP2219815B1 (de) | Laserstrahlbearbeitung | |
DE102010030430B4 (de) | Triangulierende Autofokuseinrichtung für Mikroskope und Verwendungen hiervon | |
EP0264404B1 (de) | Vorrichtung zum selbsttaetigen fokussieren eines auflichtmikroskopes | |
EP0144732B1 (de) | Einrichtung zum automatischen Fokussieren von optischen Geräten | |
WO2015124648A1 (de) | Verfahren und anordnung zur lichtblattmikroskopie | |
DE102011082756A1 (de) | Autofokussierverfahren und -einrichtung für ein Mikroskop | |
EP1423746A2 (de) | Mikroskop | |
EP0087574A1 (de) | Optisches System zur Durchlicht-Mikrophotometrie | |
CH685652A5 (de) | Autofokus-Anordnung für ein Stereomikroskop. | |
WO2019175441A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zum manipulieren eines strahlenganges in einem mikroskop, verfahren zur aufnahme von bilderstapeln in einem mikroskop | |
DE102012223128A1 (de) | Autofokusverfahren für Mikroskop und Mikroskop mit Autofokuseinrichtung | |
EP1287397A2 (de) | Anordnung zur konfokalen autofokussierung | |
WO2007020251A1 (de) | Mikroskop und verfahren zur totalinternen-reflexions-mikroskopie | |
EP2824498A1 (de) | Verfahren zur Detektion und Zufuhrsteuerung eines Immersionsmediums | |
DE102009012293A1 (de) | Autofokusverfahren und Autofokuseinrichtung | |
DE102019102330C5 (de) | Optisches System für ein Mikroskop, Mikroskop mit einem optischen System und Verfahren zur Abbildung eines Objekts unter Verwendung eines Mikroskops | |
DE102014222271B4 (de) | Maskeninspektionssystem zur Inspektion von Lithographiemasken | |
DE102009019290B4 (de) | Mikroskopvorrichtung | |
DE10234756B3 (de) | Autofokusmodul für mikroskopbasierte Systeme | |
DE60128420T2 (de) | Beobachtungsverfahren für ein optisches Mikroskop mit konvergentem Beleuchtungsstrahl | |
EP1373961B1 (de) | Mikroskopobjektivanordnung | |
DE102018126009B4 (de) | Verfahren und Mikroskop zur Bestimmung der Dicke eines Deck- oder Tragglases | |
DE102018126002B4 (de) | Verfahren und Mikroskop zur Bestimmung des Brechungsindex eines optischen Mediums |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20111202 |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: TILL I.D. GMBH, DE Free format text: FORMER OWNERS: LUDWIG-MAXIMILIAN-UNIVERSITAET, 80539 MUENCHEN, DE; TILL I.D. GMBH, 82166 GRAEFELFING, DE Effective date: 20120126 Owner name: TILL I.D. GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: LUDWIG-MAXIMILIAN-UNIVERSITAET, TILL I.D. GMBH, , DE Effective date: 20120126 |
|
R082 | Change of representative |
Representative=s name: SCHWAN SCHORER UND PARTNER PATENTANWAELTE MBB, DE Effective date: 20120126 |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: TILL I.D. GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: TILL I.D. GMBH, 82166 GRAEFELFING, DE |