DE102014116174A1 - Method for generating an image of a sample - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes einer Probe, bei dem ein Probenbereich über einen Beleuchtungsstrahlengang in einer Lichtblattebene mit zu einem Lichtblatt (9) geformten Licht beleuchtet wird. Von dem Probenbereich abgestrahltes Licht wird entlang einer axialen Detektionsrichtung, die mit der Lichtblattebene einen von Null verschiedenen Winkel einschließt, über ein Detektionsobjektiv (4) auf einen flächenförmigen Detektor (5) geleitet. Im Detektor (5) wird pixelweise die Intensität registriert und in Sätze von Eingabebilddaten von Bildern umgewandelt. Dabei wird ein erster Satz von Eingabebilddaten und mindestens ein zweiter Satz von Eingabebilddaten erzeugt. Aus den Sätzen von Eingabebilddaten wird durch Verrechnung ein Ausgabesatz von Ausgabebilddaten eines Ausgabebildes erzeugt, in welchem ein Hintergrundsignal gegenüber einzelnen Bildern aus den Eingabebilddaten reduziert ist. Der erste Satz von Eingabebilddaten wird dabei für ein erstes Lichtblatt (9) in der Fokusebene des Detektionsobjektivs (4), der zweite und der dritte Satz für ein zweites und drittes Lichtblatt oberhalb bzw. unterhalb der Fokusebene erzeugt. Der Dynamikumfang des Ausgabebildes ist gegenüber einzelnen Bildern aus den Eingabebilddaten nicht reduziert.The invention relates to a method for producing an image of a sample, in which a sample area is illuminated by means of an illumination beam path in a plane of the light sheet having light shaped into a light sheet (9). Light emitted by the sample area is guided via a detection objective (4) onto a planar detector (5) along an axial detection direction, which encloses a non-zero angle with the plane of the light sheet. In the detector (5), the intensity is registered pixel by pixel and converted into sets of input image data of images. In doing so, a first set of input image data and at least a second set of input image data are generated. From the sets of input image data, an output set of output image data of an output image in which a background signal is reduced to individual images from the input image data is generated by computation. The first set of input image data is generated for a first light sheet (9) in the focal plane of the detection objective (4), and the second and the third set for a second and third light sheet above or below the focal plane. The dynamic range of the output image is not reduced with respect to individual images from the input image data.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Bildes einer Probe. Bei einem solchen Verfahren wird ein Probenbereich in der Probe über einen Beleuchtungsstrahlengang in einer Lichtblattebene mit zu einem Lichtblatt geformtem Licht beleuchtet. Von dem Probenbereich abgestrahltes Licht wird entlang einer axialen Detektionsrichtung, die mit der Lichtblattebene einen von Null verschiedenen Winkel einschließt, über ein Detektionsobjektiv auf einen flächenförmigen Detektor geleitet. Im Detektor wird pixelweise die Intensität registriert und in Sätze von Eingabebilddaten von Bildern umgewandelt. Dabei wird ein erster Satz von Eingabebilddaten und mindestens ein zweiter Satz von Eingabebilddaten erzeugt. Aus den Sätzen von Eingabebilddaten wird durch Verrechnung ein Ausgabesatz von Ausgabedaten eines Ausgabebildes erzeugt, in welchem ein Hintergrundsignal gegenüber Bildern aus den Eingabebilddaten reduziert ist. Die Eingabebilddaten können grundsätzlich zur Erzeugung von einzelnen Bildern verwendet werden, dieser Schritt ist jedoch aufgrund der Verrechnung nicht notwendig. Auch können mehrere Eingabebildsätze in einem Bild verschmolzen werden. The invention relates to a method for producing an image of a sample. In such a method, a sample area in the sample is illuminated by means of an illumination beam path in a light plane with light shaped into a light sheet. Light emitted by the sample area is guided via a detection objective onto a planar detector along an axial detection direction which encloses a non-zero angle with the plane of the light sheet. In the detector, the intensity is registered pixel by pixel and converted into sets of input image data of images. In doing so, a first set of input image data and at least a second set of input image data are generated. From the sets of input image data, an output set of output data of an output image in which a background signal is reduced from images from the input image data is generated by computation. The input image data can basically be used to generate individual images, but this step is not necessary due to the calculation. Also, multiple input image sets can be merged into one image.
Die Untersuchung biologischer Proben, bei der die Beleuchtung der Probe mit einem Lichtblatt erfolgt, dessen Ebene die optische Achse der Detektion in einem von Null verschiedenen Winkel schneidet, hat in jüngster Zeit stark an Bedeutung gewonnen. Üblicherweise schließt das Lichtblatt dabei mit der Detektionsrichtung, die in der Regel der optischen Achse des Mikroskopobjektivs entspricht, einen von Null verschiedenen Winkel, oft einen rechten Winkel ein. Solche Untersuchungsverfahren werden überwiegend in der Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt und unter dem Begriff LSFM (Light Sheet Fluorescence Microscopy) zusammengefasst. Ein Beispiel ist das in der
Gegenüber anderen etablierten Verfahren wie der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie oder der Zwei-Photonen-Mikroskopie weisen die LSFM-Verfahren mehrere Vorzüge auf. Da die Detektion im Weitfeld erfolgen kann, lassen sich größere Probenbereiche erfassen. Zwar ist die Auflösung etwas geringer als bei der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie, jedoch lassen sich mit der LSFM-Technik dickere Proben analysieren, da die Eindringtiefe höher ist. Darüber hinaus ist die Lichtbelastung der Proben bei dem Verfahren am geringsten, was die Gefahr des Ausbleichens einer Probe reduziert, da die Probe nur durch ein dünnes Lichtblatt in einem von Null verschiedenen Winkel zur Detektionsrichtung beleuchtet wird. Compared with other established methods such as confocal laser scanning microscopy or two-photon microscopy, the LSFM methods have several advantages. Since the detection can be done in the far field, larger sample areas can be detected. Although the resolution is somewhat lower than with confocal laser scanning microscopy, the LSFM technique allows thicker samples to be analyzed, since the penetration depth is higher. In addition, the light exposure of the samples in the process is the lowest, which reduces the risk of bleaching a sample, since the sample is illuminated only by a thin light sheet at a non-zero angle to the detection direction.
Anstelle eines rein statischen Lichtblatts kann auch ein quasi-statisches Lichtblatt erzeugt werden, indem die Probe mit einem Lichtstrahl schnell abgetastet wird. Die lichtblattartige Beleuchtung entsteht, indem der Lichtstrahl einer sehr schnellen Relativbewegung zu der zu beobachtenden Probe unterworfen wird und dabei zeitlich aufeinanderfolgend mehrfach aneinander gereiht wird. Dabei wird die Integrationszeit der Kamera, auf deren Sensor die Probe abgebildet wird, so gewählt, dass die Abtastung innerhalb der Integrationszeit abgeschlossen wird. Instead of a purely static light sheet, a quasi-static light sheet can be generated by quickly scanning the sample with a light beam. The light sheet-like illumination is created by the light beam is subjected to a very rapid relative movement to the sample to be observed and this time sequentially repeatedly strung together. The integration time of the camera, on the sensor of which the sample is imaged, is selected so that the scan is completed within the integration time.
Aufgrund der Beleuchtung mit einem sehr dünnen Lichtblatt, die oft – aber nicht zwingend – rechtwinklig zur Detektionsachse erfolgt, wird nur ein kleiner axialer Teil der Probe im Detektionsvolumen beleuchtet und somit ein optischer Schnitt erzeugt. Um einen anderen Bereich der Probe zu beobachten, wird die Probe – unabhängig von der Optik – mit einer Positioniereinheit für die Probe durch das Lichtblatt gefahren. Diese Positioniereinheit kann beispielsweise einen ansteuerbaren Probentisch, der in allen drei Raumrichtungen beweglich ist, umfassen. Dabei werden entlang der optischen Achse des Detektionsobjektivs optische Schnitte an verschiedenen Probenpositionen aufgenommen. Anhand der Bildstapel lässt sich ein räumliches Bild der Probe rekonstruieren. Alternativ kann auch das Lichtblatt verfahren werden, wobei dann das Detektionsobjektiv nachfokussiert werden muss. Due to the illumination with a very thin light sheet, which is often - but not necessarily - perpendicular to the detection axis, only a small axial part of the sample is illuminated in the detection volume and thus produces an optical section. To observe another area of the sample, the sample is - regardless of the optics - driven through the light sheet with a positioning unit for the sample. This positioning unit may, for example, comprise a controllable sample table, which is movable in all three spatial directions. In this case, optical sections are recorded at different sample positions along the optical axis of the detection objective. Based on the image stacks, a spatial image of the sample can be reconstructed. Alternatively, the light sheet can be moved, in which case the detection lens must be refocused.
Das Lichtblatt liegt dabei im räumlichen Mittel in einer Lichtblattebene, weist jedoch selbst eine endliche Dicke, d.h. eine axiale Ausdehnung in einem Bereich ober- und unterhalb der Lichtblattebene auf, wobei seine Dicke in Ausbreitungsrichtung variieren kann, wenn beispielsweise Gaußstrahlen verwendet werden, und dann in der Regel im Bereich der optischen Achse des Detektionsobjektivs, dem Zentrum des Gesichtsfeldes, am dünnsten ist. Verwendet man Besselstrahlen oder Mathieustrahlen, so ist die Dicke des Lichtblatts konstant. Aufgrund des optischen Schnitts, d.h. der Lokalisierung des Lichtblatts in einer Lichtblattebene, werden keine Fluoreszenzsignale außerhalb des Fokusvolumens bzw. der Lichtblattebene detektiert und das Hintergrundsignal, d.h. das Signal fluoreszierender Bestandteile aus höher- oder tieferliegenden Schichten der Probe, ist reduziert. Gegenüber üblichen Weitfeldmikroskopen führt dies zu einer deutlichen Verbesserung im Signal-Rausch-Verhältnis. The light sheet lies in the spatial average in a Lichtblattebene, but even has a finite thickness, i. an axial extent in an area above and below the plane of the light sheet, wherein its thickness in the direction of propagation can vary, for example, when Gaussian be used, and then usually in the region of the optical axis of the detection lens, the center of the field of view is thinnest. If Bessel rays or Mathieu rays are used, the thickness of the light sheet is constant. Due to the optical section, i. the localization of the light sheet in a light sheet plane, no fluorescence signals are detected outside the focus volume and the light sheet plane, and the background signal, i. the signal of fluorescent constituents from higher or lower layers of the sample is reduced. Compared with conventional wide field microscopes, this leads to a significant improvement in the signal-to-noise ratio.
Das Lichtblatt regt nur einen schmalen Bereich in der Probe an und erzeugt somit einen optischen Schnitt (sectioning), welcher in Sichtrichtung des Detektionsobjektivs in einer hohen axialen Auflösung resultiert. Jedoch kommt es durch Streuung des Lichtblatts in der Probe zur Anregung auch in Bereichen außerhalb des Lichtblatts. Die in diesen Bereichen emittierte Fluoreszenz wird zusammen mit der das Signal tragenden Fluoreszenz als Hintergrundsignal detektiert und erzeugt außerfokales Licht. Dieses unscharf abgebildete außerfokale Licht führt zu einer Verringerung des Kontrasts und zu einem schlechteren optischen Schnitt. The light sheet stimulates only a narrow area in the sample and thus produces an optical sectioning which results in a high axial resolution in the direction of view of the detection objective. However, scattering of the light sheet in the sample also causes excitation in areas outside the sheet of light. The fluorescence emitted in these regions is detected together with the fluorescence carrying the signal as a background signal and produces extra-focal light. This out of focus imaged extra-focal light leads to a reduction in contrast and a poorer optical section.
Zur Erhöhung des Kontrasts bzw. zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sind im Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt. In einem Artikel von
Ein ähnliches Verfahren wird in einem Artikel von
In der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass eine Reduzierung des Dynamikumfangs im resultierenden Bild möglichst nicht mehr auftritt. The object of the invention is to improve a method of the type described above such that a reduction of the dynamic range in the resulting image as possible no longer occurs.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass der erste Satz von Eingabebilddaten für ein erstes Lichtblatt in der Fokusebene des Detektionsobjektivs erzeugt wird. Der zweite Satz von Eingabebilddaten wird für ein zweites Lichtblatt oberhalb der Fokusebene des Detektionsobjektivs erzeugt. Außerdem wird ein dritter Satz von Eingabebilddaten für ein drittes Lichtblatt unterhalb der Fokusebene des Detektionsobjektivs erzeugt. Die Positionen der Lichtblätter können beispielsweise durch einen Abtastspiegel in einer Pupillenebene realisiert werden. Der Ausgabesatz von Ausgabebilddaten für das Ausgabebild kann dann auf verschiedene Weise erzeugt werden, je nachdem, wie die Eingabebilddaten registriert werden. This object is achieved for a method of the type described in the introduction by generating the first set of input image data for a first light sheet in the focal plane of the detection objective. The second set of input image data is generated for a second light sheet above the focal plane of the detection lens. In addition, a third set of input image data is generated for a third light sheet below the focal plane of the detection lens. The positions of the light sheets can be realized for example by a scanning mirror in a pupil plane. The output set of output image data for the output image can then be generated in various ways, depending on how the input image data is registered.
Werden die drei Sätze von Eingabebilddaten beispielsweise einzeln erzeugt bzw. aufgenommen, so lässt sich der Ausgabesatz erzeugen, indem pixelweise von dem ersten Satz von Eingabebilddaten der zweite und der dritte Satz von Eingabebilddaten abgezogen werden. Anders ausgedrückt, wird das Ausgabebild dann erzeugt, indem von dem ersten Bild mit dem Lichtblatt in der Fokusebene die beiden anderen Bilder mit den anderen Positionen des Lichtblatts abgezogen werden, wobei die beiden Bilder bzw. Eingabebilddatensätze, die abgezogen werden, auch mit einem vom Eingabebilddatensatz abhängigen Wichtungswert multipliziert werden können, zur Anpassung der Intensität. Zweites und drittes Lichtblatt werden dabei so geformt und positioniert, dass ihre Intensität in der Fokusebene des Detektionsobjektivs nahezu bei Null liegt. Erstes, zweites und drittes Lichtblatt weisen außerdem bevorzugt im Wesentlichen die gleich axiale Ausdehnung auf, sofern dies einstellbar ist. For example, when the three sets of input image data are individually generated, the output sentence can be generated by subtracting, pixel by pixel, the second and third sets of input image data from the first set of input image data. In other words, the output image is then generated by subtracting from the first image with the light sheet in the focal plane the other two images with the other positions of the light sheet, the two images or input image data sets being extracted, also with one from the input image data set dependent weighting value can be multiplied to adjust the intensity. Second and third light sheets are thereby formed and positioned so that their intensity in the focal plane of the detection lens is almost zero. First, second and third light sheets also preferably have substantially the same axial extent, if this is adjustable.
Der zweite und der dritte Satz von Eingabebilddaten können auch gemeinsam registriert werden, so dass die Summe beider bereits in der Kamera gebildet wird, entsprechend einem gemeinsamen Bild. Dazu findet der Wechsel zwischen dem Lichtblatt oberhalb und dem Lichtblatt unterhalb der Fokusebene zur Hälfte der Belichtungszeit der Kamera statt, so dass die Kamera direkt das Summenbild aufnimmt. Insgesamt müssen somit nur zwei Bilder aufgenommen werden, hier wird dann das Summenbild – optional mit einem Wichtungsfaktor – von dem Bild, welches aus dem ersten Satz von Eingabebilddaten erzeugt wurde, abgezogen. Die direkt in der Kamera gebildete pixelweise Summe des zweiten und dritten Eingabebilddatensatzes wird pixelweise von dem ersten Satz von Eingabebilddaten abgezogen. The second and third sets of input image data may also be registered together so that the sum of both is already formed in the camera, according to a common image. For this purpose, the change between the light sheet above and the light sheet below the focal plane at half the exposure time of the camera takes place, so that the camera takes directly the sum picture. Overall, therefore, only two images must be recorded, here is then the sum image - optionally with a weighting factor - deducted from the image, which was generated from the first set of input image data. The pixelwise sum of the second and third input image data sets formed directly in the camera is subtracted pixel by pixel from the first set of input image data.
Die drei Lichtblätter können prinzipiell unabhängig voneinander erzeugt werden. Um auf einen Abtastspiegel in der Pupillenebene zu verzichten, können das zweite und dritte Lichtblatt auch anders und insbesondere gleichzeitig erzeugt werden. Das zweite und dritte Lichtblatt werden dabei erzeugt, indem dem ersten Lichtblatt entlang der Detektionsrichtung ein Phasensprung um π in der Fokusebene des Detektionsobjektivs aufgeprägt wird. Auf diese Weise werden aus dem ursprünglichen ersten Lichtblatt zwei Teillichtblätter – das zweite und das dritte Lichtblatt – erzeugt, die sich auch als ein sogenanntes Doppellichtblatt, welches eine Nullstelle, bei der die Intensität Null ist, in der Fokusebene des Detektionsobjektivs aufweist, auffassen lassen. Zweiter und dritter Eingabebilddatensatz werden auch hier zweckmäßig gemeinsam registriert, da die Lichtblätter gleichzeitig erzeugt werden. Auch eine einzelne Registrierung bei entsprechender Ausblendung des jeweils anderen Lichtblatts ist grundsätzlich allerdings möglich und nicht ausgeschlossen. The three light sheets can in principle be generated independently of each other. In order to dispense with a scanning mirror in the pupil plane, the second and third light sheet can also be generated differently and in particular simultaneously. In this case, the second and third light sheets are generated by imparting to the first light sheet along the detection direction a phase jump of π in the focal plane of the detection lens. In this way, two partial light sheets - the second and the third light sheet - are generated from the original first light sheet, which can also be understood as a so-called double light sheet, which has a zero point at which the intensity is zero, in the focal plane of the detection lens. Second and third input image dataset are also appropriately registered together, since the light sheets are generated simultaneously. Even a single registration with corresponding suppression of each other leaflet is basically possible and not excluded.
Das ursprüngliche Lichtblatt spaltet in ein Doppellichtblatt aus zwei Teillichtblättern – dem zweiten und dem dritten Lichtblatt – auf, welche in ihrer Intensität gleich, in ihrer Phase jedoch verschieden sind. Durch destruktive Interferenz in der Fokalebene des Detektionsobjektivs kommt es dadurch zur Auslöschung. Beide Teillichtblätter, d.h. das zweite und das dritte Lichtblatt sind geeignet, Fluoreszenz anzuregen, da dieser Effekt von der Phase des Anregungslichts unabhängig ist. Der Phasensprung lässt sich auf verschiedene Weise realisieren. Beispielsweise kann dazu eine zweigeteilte Phasenplatte mit einem ersten und einem zweiten Teil verwendet werden, die einen Phasensprung um π aufweist. Diese kann in der Regel an einer beliebigen Stelle im Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt werden, insbesondere aber in einer Pupillenebene oder in einer Zwischenbildebene. The original light sheet splits into a double light sheet of two partial light sheets - the second and the third light sheet - which are equal in their intensity but different in their phase. Destructive interference in the focal plane of the detection lens causes extinction. Both partial leaves, i. the second and third light sheets are suitable for exciting fluorescence, since this effect is independent of the phase of the excitation light. The phase jump can be realized in various ways. For example, a two-part phase plate with a first and a second part can be used, which has a phase jump of π. This can usually be used at any point in the illumination beam path, but in particular in a pupil plane or in an intermediate image plane.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird für den ersten Teil der Phasenplatte ein in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs optisch isotropes Material und für den zweiten Teil ein optisch anisotropes Material verwendet. In a preferred embodiment, an optically isotropic material with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the illumination beam path is used for the first part of the phase plate, and an optically anisotropic material is used for the second part.
Für den ersten Teil der Phasenplatte wird also beispielsweise ein Material verwendet, welches in Bezug auf die Ebene senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs nicht doppelbrechend ist. Beispielsweise kann Glas verwendet werden. Auch ein per se doppelbrechendes Material kann verwendet werden, welches jedoch dann so orientiert sein muss, dass die optische Achse der Anisotropie entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts liegt, so dass keine polarisationsabhängigen Effekte auftreten können. Thus, for example, a material is used for the first part of the phase plate, which is not birefringent with respect to the plane perpendicular to the optical axis of the illumination beam path. For example, glass can be used. Also, a per se birefringent material may be used, but which must then be oriented so that the optical axis of the anisotropy is along the direction of propagation of the light, so that no polarization-dependent effects can occur.
Für den zweiten Teil der Phasenplatte wird ein optisch anisotropes Material verwendet, beispielsweise Quarz. Dieses doppelbrechende Material ist dann so orientiert, dass sich bei beispielsweise horizontaler, linearer Polarisation die Phase des Lichts exakt um π relativ zum ersten Teil der Phasenplatte verschiebt und bei paralleler linearer Polarisation die Phase nicht ändert oder um ein Vielfaches von zwei 2π ändert. Um das erreichen zu können, muss ein Abgleich der optischen Dicken der isotropen und der anisotropen Materialien der Phasenplatten erfolgen. For the second part of the phase plate an optically anisotropic material is used, for example quartz. This birefringent material is then oriented so that, for example, horizontal, linear polarization, the phase of the light shifts exactly by π relative to the first part of the phase plate and in parallel linear polarization, the phase does not change or by a multiple of two 2π changes. In order to achieve this, an adjustment of the optical thicknesses of the isotropic and the anisotropic materials of the phase plates must be carried out.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann dann zur Auswahl des ersten Lichtblatts oder des zweiten und dritten Lichtblatts das Licht vor dem Durchtritt durch die Phasenplatte verschieden linear polarisiert werden. Durch Wahl der Polarisation – dies kann beispielsweise mit einer in den Strahlengang einschwenkbaren λ/2-Platte oder einer Pockels-Zelle realisiert werden – kann zwischen beiden Ausgestaltungen des Lichtblatts gewechselt werden. In a preferred embodiment, the light can then be differently linearly polarized before passing through the phase plate for selecting the first light sheet or the second and third light sheet. By choosing the polarization - this can be realized, for example, with a λ / 2 plate which can be pivoted into the beam path or a Pockels cell - it is possible to switch between the two configurations of the light sheet.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, anstelle einer zweigeteilten Phasenplatte zur Erzeugung des zweiten und des dritten Lichtblatts einen räumlichen Lichtmodulator (SLM – spatial light modulator) zu verwenden. Hierzu kann der räumliche Lichtmodulator außer im Fokus an beliebiger Stelle des Beleuchtungsstrahlengangs positioniert werden. Auf dem räumlichen Lichtmodulator wird dann das Phasenmuster der zweigeteilten Phasenplatte dargestellt, es wird sozusagen simuliert. Der Wechsel zwischen dem ersten Lichtblatt einerseits sowie dem zweiten und dritten Lichtblatt andererseits wird direkt mit dem räumlichen Lichtmodulator durchgeführt, indem zwischen dem Phasenmuster der zweigeteilten Phasenplatte und einem konstanten Phasenmuster entsprechend einer vollständig isotropen Phasenplatte bzw. gar keiner Phasenplatte gewechselt wird. Another possibility is to use a spatial light modulator (SLM) instead of a two-part phase plate for producing the second and third light sheets. For this purpose, the spatial light modulator can be positioned except in the focus at any point of the illumination beam path. On the spatial light modulator, the phase pattern of the two-part phase plate is then displayed, it is simulated so to speak. The change between the first light sheet on the one hand and the second and third light sheet on the other hand is performed directly with the spatial light modulator by switching between the phase pattern of the two-part phase plate and a constant phase pattern corresponding to a fully isotropic phase plate or no phase plate.
Werden nun zwei Bilder A und B der Probe aufgenommen, wobei A das mit dem einzelnen Lichtblatt aufgenommene, aus dem ersten Satz von Eingabebilddaten erzeugte Bild ist und B dem gleichzeitig mit zwei Teillichtblättern aufgenommenen, d.h. dem aus dem zweiten und dritten Eingabebilddatensatz erzeugten Bild entspricht, so kann ein Bild mit erhöhtem Kontrast mit C = A – sB erzeugt werden. Dabei kommt es im Gegensatz zum Stand der Technik nicht zu einer Dynamikverringerung des resultierenden Bildes C, da das aus dem zweiten und dritten Eingabebilddatensatz erzeugte Bild B keine fokalen Anteile enthält. s ist ein Skalierungsfaktor zur Anpassung der Intensitäten zwischen den beiden Bildern A und B, er ist größer als Null und nicht größer als 1. Now, two images A and B of the sample are taken, where A is the image taken with the single light sheet, generated from the first set of input image data, and B is the one recorded simultaneously with two partial light sheets, ie corresponds to the image generated from the second and third input image data sets, an image with increased contrast can be generated with C = A - sB. In contrast to the prior art, this does not result in a reduction in the dynamics of the resulting image C, since the image B generated from the second and third input image data sets contains no focal components. s is a scaling factor to adjust the intensities between the two images A and B, it is greater than zero and not greater than 1.
Für die Erzeugung des Lichtblatts lassen sich im Prinzip beliebig geformte Strahlen verwenden, beispielsweise klassische Strahlen mit dem Querschnittsprofil einer Gaußverteilung, sogenannte gaußförmige Strahlen, aber auch Bessel-Strahlen, Mathieu-Strahlen, oder sinc3-Strahlen können verwendet werden, insbesondere dann, wenn ein SLM verwendet wird. Das Phasenmuster dieses entsprechenden Strahls lässt sich dann mit dem Phasenmuster der zweigeteilten Phasenplatte direkt auf dem SLM kombinieren, es werden zum Wechsel zwischen den Lichtblättern nur die Phasenmuster gewechselt. Auch strukturierte Lichtblätter zur Erhöhung der Auflösung können verwendet werden. In principle, arbitrarily shaped beams can be used for the generation of the light sheet, for example classical beams with the cross-sectional profile of a Gaussian distribution, so-called Gaussian beams, but also Bessel beams, Mathieu beams, or sinc 3 beams can be used, in particular if an SLM is used. The phase pattern of this corresponding beam can then be combined with the phase pattern of the two-part phase plate directly on the SLM; only the phase patterns are changed to change between the light sheets. Also structured light sheets to increase the resolution can be used.
Das Lichtblatt lässt sich auch durch ein flächiges Abtasten eines Lichtstrahls erzeugen. Verwendet man dazu eine auf die Abtastfrequenz des Lichtstrahls abgestimmte strukturierte Detektion, beispielsweise eine konfokale linienförmige Detektion, so wird der Hintergrund besonders gut unterdrückt. Die konfokale linienartige Detektion kann beispielsweise realisiert werden, indem die Detektion auf einem zweiten Scanner de-scannt (descanning) wird oder durch eine elektronische Apertur, welche auf dem abbildenden Sensor mitläuft, im Sinne eines rolling shutter. Der Vorteil dieser Kombination besteht darin, dass die Punktspreizfunktion des Systems wiederum aus einem Produkt von Anregungs- und Detektions-Punktspreizfunktion gebildet wird. Die Veränderung der Beleuchtungs-Punktspreizfunktion zwischen dem einzelnen Lichtblatt in der Fokusebene und dem Doppellichtblatt führt dann zu einer starken Änderung der Gesamt-Punktspreizfunktion des Systems, welche die oben beschriebenen Bildoperationen besonders effektiv macht. Man kann hierbei die Signale mit beiden Beleuchtungsarten – Einzel- und Doppellichtblatt – je Scanner-Position aufnehmen, oder aber mit beiden Beleuchtungsarten Bilder machen und diese dann nach den Vorschriften, die oben eingeführt wurden, verarbeiten, in der Regel also voneinander abziehen. The light sheet can also be generated by a two-dimensional scanning of a light beam. If, for this purpose, one uses a structured detection matched to the scanning frequency of the light beam, for example a confocal linear detection, the background is suppressed particularly well. The confocal line-like detection can be realized, for example, by the detection on a second scanner de-scanning (descanning) or by an electronic aperture, which runs along on the imaging sensor, in the sense of a rolling shutter. The advantage of this combination is that the point spreading function of the system is again formed from a product of excitation and detection point spreading function. The change in the illumination point spreading function between the single light sheet in the focal plane and the double light sheet then leads to a sharp change in the overall point spread function of the system, which makes the above-described image operations particularly effective. You can hereby record the signals with both types of illumination - single and double light sheet - per scanner position, or take pictures with both types of lighting and then process them according to the rules that were introduced above, so usually subtract from each other.
Lichtblätter, welche durch das Abtasten einer Lichtverteilung generiert werden, können vorteilhaft auch derart realisiert werden, dass ein nichtlinearer Effekt für die Signalerzeugung genutzt wird. Beispielsweise kann eine Zwei-Photonen-Anregung der Fluoreszenz zur Signalerzeugung dienen. Dieser Prozess hängt quadratisch von der Intensität der Anregungsstrahlung ab. Light sheets, which are generated by scanning a light distribution, can advantageously also be realized in such a way that a nonlinear effect is used for the signal generation. For example, two-photon excitation of the fluorescence can be used to generate the signal. This process depends quadratically on the intensity of the excitation radiation.
Schließlich können in Verbindung mit Lichtblättern, die durch Abtasten einer Lichtverteilung wie vorangehend beschrieben erzeugt werden, auch anstelle in Bezug auf die optische Achse des Detektionsobjektivs axial unterschiedlich liegender Lichtblätter auch lateral in einer Richtung senkrecht zu der Detektionsrichtung unterschiedlich liegende Lichtblätter verwendet werden. In diesem Fall ist bei Verwendung eines phasenselektiven Elements wie einer Phasenplatte oder einem SLM der Phasensprung senkrecht zur Sichtrichtung und zur Beleuchtungsrichtung ausgelegt; analog kann dies auch mit drei einzelnen Lichtblättern, die nun nicht axial, sondern lateral verschoben sind, erfolgen. Auch in diesem Fall spaltet ein einzelner, abgetasteter Strahl auf, wobei jedoch die Aufspaltung senkrecht zur Detektionsrichtung und senkrecht zur Beleuchtungsrichtung liegt. In Verbindung mit einer konfokalen Detektion, wie einer Spaltblende, lässt sich auf diese Weise ein höherer Kontrast erzielen. Verwendet man eine Spaltblende, wird diese so positioniert, dass sie entlang des nicht aufgespaltenen Einzelstrahls liegt. Dies kann beispielsweise durch ein De-scannen des Strahls und eine feste Spaltblende realisiert werden. Der durch den nicht aufgespaltenen Einzelstrahl angeregte Bereich in der Probe wird detektiert. Zusätzlich wird auch die Fluoreszenz von gestreutem Anregungslicht von Bereichen außerhalb der Spaltblende detektiert. Wird nun der Strahl in zwei Strahlen aufgespalten, so handelt es sich bei der detektierten Fluoreszenz nur noch um gestreutes Licht. Auch hier lassen sich zwei Bilder aufnehmen, die entsprechend gewichtet voneinander – in der Regel pixelweise – abgezogen werden, um ein Bild mit höherem Kontrast zu erhalten. Finally, in connection with sheets produced by scanning a light distribution as described above, also in relation to the optical axis of the detection lens of axially different light sheets, sheets of light laterally different in a direction perpendicular to the detection direction may also be used. In this case, when using a phase selective element such as a phase plate or an SLM, the phase jump is made perpendicular to the viewing direction and the illumination direction; this can be done analogously with three individual sheets of light, which are now not axially but laterally displaced. In this case too, a single, scanned beam splits, but the splitting is perpendicular to the detection direction and perpendicular to the illumination direction. In conjunction with a confocal detection, such as a slit diaphragm, a higher contrast can be achieved in this way. If a slit diaphragm is used, it is positioned so that it lies along the non-split single beam. This can be realized for example by a de-scanning of the beam and a fixed slit diaphragm. The area excited by the un-split single beam in the sample is detected. In addition, the fluorescence of scattered excitation light from areas outside the slit is also detected. If the beam is split into two beams, the detected fluorescence is only scattered light. Here, too, two images can be taken, which are weighted accordingly from each other - usually pixel by pixel - deducted to obtain an image with higher contrast.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
In
Die Probe
Das Licht aus einer Lichtquelle
Zur Erzeugung des Bildes wird nun ein erster Satz von Eingabebilddaten für ein erstes Lichtblatt
Aus den Sätzen von Eingabebilddaten wird durch Verrechnung ein Ausgabesatz von Ausgabedaten eines Ausgabebildes erzeugt, wobei im Ausgabebild ein Hintergrundsignal gegenüber den einzelnen Bildern aus den Eingabebilddaten reduziert ist, d.h. ein im Vergleich zu Einzelbildern höherer Kontrast erzielt werden kann, so dass der optische Schnitt durch die Probe genauer wird, was insbesondere für eine räumliche Darstellung der Probe von Vorteil ist. Grundsätzlich lässt sich aus jedem der Eingabebilddatensätze ein eigenes Bild erzeugen, jedoch können der zweite und dritte Eingabebilddatensatz auch gemeinsam in einem Bild registriert werden, beispielsweise bei gleichzeitiger Erzeugung des zweiten und dritten Lichtblatts, oder bei sequenzieller Erzeugung, wenn die Integrationszeit der Kamera entsprechend eingestellt wird, so dass jedem der beiden Lichtblätter die Hälfte der Integrationszeit zur Verfügung steht. From the sets of input image data, an output set of output data of an output image is generated by computation, wherein in the output image, a background signal is reduced to the individual images from the input image data, i. a higher contrast can be achieved compared to individual images, so that the optical section through the sample becomes more accurate, which is advantageous in particular for a spatial representation of the sample. Basically, each of the input image data sets can be generated a separate image, however, the second and third input image data set can also be registered together in an image, for example, while generating the second and third sheets of light, or in sequential generation, if the integration time of the camera is set accordingly so that half of the integration time is available to each of the two light sheets.
Die einzelnen Lichtblätter können unabhängig voneinander erzeugt werden, in dem beschriebenen Beispiel wird jedoch zur Erzeugung der beiden Lichtblätter außerhalb der Fokusebene dem ersten Lichtblatt
In der in den
Für den ersten Teil der Phasenplatte wird ein in Bezug auf eine Ebene senkrecht zur optischen Achse des Beleuchtungsstrahlengangs optisch isotropes Material verwendet, für den zweiten Teil der Phasenplatte
Alternativ kann anstelle einer Phasenplatte
Die Wirkung der Phasenplatte wird im Folgenden im Zusammenhang mit
Die gestrichelte Kurve mit dem hohen Peak in der Mitte entspricht dem einzelnen ersten Lichtblatt
Der gleiche Effekt lässt sich in äquivalenter Weise auch mit zwei einzelnen Lichtblättern, die knapp oberhalb bzw. unterhalb der Fokusebene des Detektionsobjektivs ihre Lichtblattebenen haben, erzielen. Hier wären dann insgesamt drei Aufnahmen zu machen bzw. zwei, wenn für die beiden Lichtblätter ober- bzw. unterhalb der Fokusebene des Detektionsobjektivs
Die resultierenden Eingabebilddatensätze können dann voneinander pixelweise subtrahiert werden, dabei werden von der Intensität des einzelnen Lichtblatts, also des ersten Satzes von Eingabebilddaten diejenigen der übrigen Sätze von Eingabebilddaten abgezogen, wobei insbesondere die Bilddatensätze des Doppellichtblatts auch mit Skalierungsfaktoren zur Angleichung der Helligkeit multipliziert werden können. The resulting input image data records can then be subtracted from each other pixel by pixel, those of the remaining sets of input image data are deducted from the intensity of the individual sheet of light, ie the first set of input image data, wherein in particular the image data sets of the double sheet can also be multiplied by scaling factors for equalizing the brightness.
Auf diese Weise kann eine Dynamikverringerung des resultierenden Ausgabebildes vermieden werden, da das Bild des Doppellichtblatts keine fokalen Anteile enthält. In this way, a reduction in the dynamics of the resulting output image can be avoided, since the image of the double-sheet contains no focal portions.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Probe sample
- 2 2
- Probenkammer sample chamber
- 3 3
- Glaskapillare glass capillary
- 4 4
- Detektionsobjektiv detection objective
- 5 5
- flächenförmiger Detektor planar detector
- 6 6
- dichroitischer Spiegel dichroic mirror
- 7 7
- Kamera camera
- 8 8th
- Auswerteeinheit evaluation
- 9 9
- Lichtblatt light sheet
- 10 10
- Lichtquelle light source
- 11 11
- Kollimationslinse collimating lens
- 12 12
- Powell-Linse Powell lens
- 13, 14, 15 13, 14, 15
- Linse lens
- 16 16
- Phasenplatte phase plate
- 17 17
- polarisationsdrehendes Element polarization-rotating element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2004/0535558 A1 [0002] WO 2004/0535558 A1 [0002]
- DE 102013208872 [0010] DE 102013208872 [0010]
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