DE102016119268B3

DE102016119268B3 - Schiefebenenmikroskop

Info

Publication number: DE102016119268B3
Application number: DE102016119268.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Schumann
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: US11500190B2; US20190243118A1; CN109804293B; WO2018069170A1; CN109804293A; JP2019531511A

Abstract

Schiefebenenmikroskop (10) umfassend eine Detektionsoptik (16) mit einem Bildsensor (30), der eine aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Sensorzeilen (33) gebildete Sensorfläche (28) aufweist, und eine Transportoptik (14) mit einem probenzugewandten Objektiv (44), das sowohl zur Probenbeleuchtung mittels eines gegenüber der optischen Achse (O2) der Transportoptik (14) verkippten Lichtblatts (21) als auch zur Abbildung einer mit dem Lichtblatt (21) beleuchteten Probenebene (23) auf die Sensorfläche (28) des Bildsensors (30) vorgesehen ist, wobei die optische Achse (O3) der Detektionsoptik (16) gegenüber der optischen Achse (O2) der Transportoptik (14) verkippt ist. Die Sensorzeilen (33) erstrecken sich jeweils in einer zur optischen Achse (O2) der Transportoptik (14) orthogonalen Richtung. Die Detektionsoptik (16) weist ein anamorphotisches Vergrößerungssystem (65) auf, dessen Vergrößerung in einer orthogonal zu den Sensorzeilen (33) des Bildsensors (30) liegenden Richtung kleiner als in einer parallel zu den Sensorzeilen (33) des Bildsensors (30) liegenden Richtung ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schiefebenenmikroskop, umfassend eine Detektionsoptik mit einem Bildsensor, der eine aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Sensorzeilen gebildete Sensorfläche aufweist, und eine Transportoptik mit einem probenzugewandten Objektiv, das sowohl zur Probenbeleuchtung mittels eines gegenüber der optischen Achse der Transportoptik verkippten Lichtblatts als auch zur Abbildung einer mit dem Lichtblatt beleuchteten Probenebene auf die Sensorfläche des Bildsensors vorgesehen ist, wobei die optische Achse der Detektionsoptik gegenüber der optischen Achse der Transportoptik verkippt ist.
Konventionelle Lichtblattmikroskope weisen probenseitig zwei separate Objektive auf, von denen eines der Beleuchtung und das andere der Detektion dient. Über das Beleuchtungsobjektiv wird üblicherweise ein parallel zur optischen Achse ausgerichtetes Lichtblatt in die Probe fokussiert, dessen beleuchteter Bereich der Probe dann von dem Detektionsobjektiv, dessen optische Achse rechtwinklig zur optischen Achse des Beleuchtungsobjektivs liegt, auf einen Detektor abgebildet wird. Für Anwendungen, in denen eine Abbildung der Probe mittels eines solchen mit zwei separaten Objektiven ausgestatteten Lichtblattmikroskops mangels Raum nicht möglich ist, wurde in der US 8 582 203 B2 ein Mikroskop vorgeschlagen, das probenseitig mit einem einzigen Objektiv auskommt. Bei diesem Mikroskop wird das Lichtblatt derart in die Probe fokussiert, dass es zur optischen Achse des Objektivs schräg gestellt ist. Wegen dieser Schrägstellung wird ein solches Mikroskop auch als Schiefebenenmikroskop (OPM: „oblique plane microscope”) bezeichnet.
Da das aus dem Stand der Technik bekannte Schiefebenenmikroskop nur ein einziges probenzugewandtes Objektiv aufweist, ermöglicht es einen Zugang zur fluoreszenzbasierten mikroskopischen Lichtblattbildgebung in Proben, deren Abbildung mittels eines konventionellen Lichtblattmikroskops mit zwei Objektiven nicht möglich ist. Als eine wesentliche Komponente enthält es eine sogenannte Transportoptik, die der Volumenbildgebung dient. Diese Transportoptik ist ein 4f-System oder beidseitig telezentrisches Abbildungssystem, dessen Vergrößerung dem Brechungsindexverhältnis zwischen Proben- und Zwischenbildraum entsprechen muss, um auch eine korrekte Abbildung der Aperturwinkel zu gewährleisten. Sind die Erfordernisse einer beidseitigen Telezentrie sowie der genannten Vergrößerungsanpassung erfüllt, so wird gleichsam ein Transport eines Volumenbildes zwischen Probenraum und Zwischenbildraum möglich. Demgegenüber erfolgt in einem konventionellen Mikroskop, in dem eines der beiden vorstehend genannten Erfordernisse nicht erfüllt ist, lediglich der Transport eines Ebenenbildes.
Bei einem Schiefebenenmikroskop vorstehend erläuterter Art ist die den Bildsensor enthaltende Detektionsoptik gegenüber der Transportoptik schräg gestellt. Dies bedeutet, dass die optischen Achsen der Detektionsoptik und der Transportoptik verkippt zueinander liegen. Dementsprechend ist auch der Bildsensor der Detektionsoptik schräg zur optischen Achse der Transportoptik ausgerichtet.
Ein solches Schiefebenenmikroskop ist beispielsweise in der WO 2015/109323 A2 offenbart.
Insbesondere in wissenschaftlichen Mikroskopieanwendungen kommen seit kurzem besonders hochwertige Bildsensoren wie sogenannte sCMOS-Sensoren (Scientific CMOS) zur Anwendung, die sich insbesondere durch hohe Auflösung, hohe Bildrate, geringes Ausleserauschen und hohe Dynamik auszeichnen. Solche sCMOS-Sensoren haben überdies die Eigenschaft, die Zeit, die zum Auslesen der Bildsignale benötigt wird, im Wesentlichen allein von der Anzahl der die Sensorfläche bildenden Sensorzeilen abhängt, während die Anzahl der mit diesen Zeilen ausgelesenen Sensorspalten für die Dauer des Auslesevorgangs unerheblich ist. Ein sCMOS-Sensor dieser Art ist in der WO 2016/154729 A1 offenbart. Vor allem im Hinblick auf eine möglichst schnelle Bildaufnahme ist die Verwendung solcher Bildsensoren auch speziell in der Schiefebenenmikroskopie wünschenswert.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schiefebenenmikroskop vorstehend beschriebener Art derart auszubilden, dass es eine besonders schnelle Bildaufnahme ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Schiefebenenmikroskop gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der weiteren Beschreibung angegeben.
Das erfindungsgemäß Schiefebenenmikroskop umfasst eine Detektionsoptik mit einem Bildsensor, der eine aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Sensorzeilen gebildete Sensorfläche aufweist, und eine Transportoptik mit einem probenzugewandten Objektiv, das sowohl zur Probenbeleuchtung mittels eines gegenüber der optischen Achse der Transportoptik verkippten Lichtblatts als auch zur Abbildung einer mit dem Lichtblatt beleuchteten Probenebene auf die Sensorfläche des Bildsensors vorgesehen ist. Dabei ist die optische Achse der Detektionsoptik gegenüber der optischen Achse der Transportoptik verkippt. Die Sensorzeilen erstecken sich jeweils in einer zur optischen Achse der Transportoptik orthogonalen Richtung. Die Detektionsoptik weist ein anamorphotisches Vergrößerungssystem auf, dessen Vergrößerung in einer senkrecht zu den Sensorzeilen des Bildsensors liegenden Richtung kleiner als in einer parallel zu den Sensorzeilen liegenden Richtung ist.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem Schiefebenenmikroskop infolge der zueinander verkippten optischen Achsen von Transportoptik und Detektionsoptik zwangsläufig zu einer Asymmetrie in der Abbildung der mit dem Lichtblatt beleuchteten Probenebene auf den Bildsensor kommt. Die Erfindung berücksichtigt diesen Umstand, indem die Sensorzeilen des schräg zur optischen Achse der Transportoptik angeordneten Bildsensors in ihrer Längserstreckung orthogonal zur optischen Achse der Transportoptik angeordnet werden. Dabei ist im vorliegenden Kontext die genannte Orthogonalität zwischen der optischen Achse der Transportoptik und der jeweiligen Sensorzeile im Sinne einer Orthogonalität von Richtungsvektoren zu verstehen, die eine windschiefe Lage dieser Richtungsvektoren im Raum mit einschließt.
Die Erfindung nutzt ferner den Umstand, dass in modernen Bildsensoren die Dauer des Auslesevorgangs im Wesentlichen allein von der Anzahl der ausgelesenen Sensorzeilen, nicht jedoch von der Anzahl der hierzu senkrecht liegenden Sensorspalten abhängt. Diese dem Bildsensor inhärente Asymmetrie des Auslesevorgangs wird nun erfindungsgemäß in Bezug gesetzt zu derjenigen Asymmetrie, die sich infolge der Verkippung der optischen Achsen der Detektionsoptik und der Transportoptik im Hinblick auf die Abbildung der Probenebene auf die Sensorfläche des Bildsensors ergibt. Konkret wird dies in Abkehr von bekannten Lösungen, die mit sphärisch symmetrischen Detektionsoptiken arbeiten, dadurch realisiert, dass die Detektionsoptik ein anamorphotisches Vergrößerungssystem enthält, dessen Vergrößerung in einer orthogonal zu den Sensorzeilen des Bildsensors liegenden Richtung kleiner als in einer parallel zu den Sensorzeilen liegenden Richtung ist. Im Ergebnis wird so die Zahl an auszulesenden Sensorzeilen verringert und dadurch die Bildaufnahme beschleunigt.
Die Erfindung bietet demnach den großen Vorteil, dass in der zu den Sensorzeilen orthogonalen Richtung, in der die Auflösung infolge der vorstehend erläuterten Asymmetrie der Abbildung ohnehin herabgesetzt ist, deutlich weniger Pixel ausgelesen und somit deutlich weniger Bildsignale digitalisiert werden müssen.
Die Digitalisierung von Volumendaten kann beispielsweise durch eine Abtastung längs der optischen Achse oder senkrecht zur optischen Achse der Transportoptik erfolgen. Die Verwendung des anamorphotischen Vergrößerungssystems hat dann zur Folge, dass nun statt zweier unterschiedlicher Abtastraten, von denen sich eine auf die Volumenabtastung und die andere auf die beiden Abtastungen in der Detektionsebene bezieht, drei unterschiedliche Abtastraten genutzt werden. Dies kann in einer geeigneten Rekonstruktion, z. B. einer sogenannten Entscherung der Daten berücksichtigt werden.
Vorzugsweise ist der Bildsensor ein sCMOS-Sensor. Wie schon eingangs erwähnt, zeichnet sich ein solcher Sensor insbesondere durch hohe Auflösung, hohe Bildrate, geringes Ausleserauschen und hohe Dynamik aus.
Das erfindungsgemäße anamorphotische Vergrößerungssystem ist beispielsweise ein Tubuslinsensystem, ein Prismensystem oder ein Teleskopsystem reflektiver oder refraktiver Art.
In einer speziellen Ausführungsform ist das anamorphotische Vergrößerungssystem Teil einer Wechselvorrichtung, die mehrere wahlweise in die Detektionsoptik einbringbare Vergrößerungssysteme umfasst. Durch das Vorhalten mehrerer Vergrößerungssysteme, die manuell oder motorisch austauschbar sind, können unterschiedliche anamorphotische Vergrößerungsverhältnisse realisiert werden. Insbesondere kann die Wechselvorrichtung auch ein System umfassen, dessen Vergrößerungen orthogonal und parallel zu den Sensorzeilen gleich sind, um das Schiefebenenmikroskop mit einer üblichen sphärisch symmetrischen Detektionsoptik zu betreiben.
Vorzugsweise weist das Schiefebenenmikroskop eine Beleuchtungsoptik zum Erzeugen des Lichtblatts in einem Zwischenbildraum auf, wobei die Transportoptik beidseitig telezentrisch ausgebildet ist und das in dem Zwischenbildraum erzeugte Lichtblatt in die Probe abbildet und die mit dem Lichtblatt beleuchtete Probenebene als Zwischenbild in den Zwischenbildraum abbildet. Die Detektionsoptik bildet dann das in dem Zwischenbildraum erzeugte Zwischenbild auf den Bildsensor ab. In dieser Ausführungsform schneiden die optischen Achsen der Beleuchtungsoptik, das Transportoptik und der Detektionsoptik einander in dem Zwischenbildraum.
In der vorgenannten Ausführungsform stellt die Transportoptik ein Zwischenabbildungssystem dar, dass die für eine Volumenbildgebung erforderlichen Eigenschaften aufweist, nämlich eine Vergrößerung, die dem Brechungsindexverhältnis zwischen Probenraum und Zwischenbildraum entspricht, um eine korrekte Abbildung der Aperturwinkel zu gewährleisten, sowie eine beidseitige, d. h. sowohl objektseitige als auch bildseitige Telezentrizität und damit eine Lateralvergrößerung, die von der Position längs der optische Achse unabhängig ist. Die Verwendung einer beidseitig telezentrischen Transportoptik hat gegenüber konventionellen Mikroskopen, deren Zwischenabbildungsoptiken im Allgemeinen nicht beidseitig telezentrisch sind, unter anderem den Vorteil, dass in der Transportoptik keine Verzerrungen verursacht werden.
Vorzugsweise weist das Schiefebenenmikroskop ein in der Transportoptik angeordnetes Abtastelement auf, durch welches das Lichtblatt in der Probe quer zur optischen Achse der Transportoptik bewegbar ist. Dieses Abtastelement ermöglicht eine laterale Abtastung, welche die Volumenbildgebung erleichtert. Insbesondere gegenüber herkömmlichen Lichtblattmikroskopen, bei denen zur Volumenbildaufnahme ein Objektiv oder die Probe und damit eine vergleichsweise große Masse längs der optischen Achse bewegt wird, hat diese Ausführungsform den Vorteil einer vibrationsfreien Bildaufnahme. Außerdem kann eine höhere Volumenbildrate erzielt werden.
Das genannte Abtastelement ist beispielsweise ein Galvanometerspiegel oder ein mikro-elektromechanischer Spiegel, kurz MEMS-Spiegel. Bei dieser Ausführungsform sind die Beleuchtungsoptik, die Transportoptik und die Detektionsoptik so aufeinander abgestimmt, dass ihre optischen Achsen in dem Zwischenbildraum zusammenlaufen, d. h. einander schneiden. Damit erfolgt die Einkopplung des Beleuchtungslichts im Bereich des im Zwischenbildraum erzeugten Zwischenbildes. Dies ermöglicht es, auf dichroitische Elemente im Bereich der Transportoptik zu verzichten, die in bekannten Fluoreszenzmikroskopen zur Kombination bzw. Trennung von Beleuchtungslicht und Detektionslicht zum Einsatz kommen. Da einerseits solche dichroitischen Elemente einen erheblichen Pupillenversatz erzeugen und andererseits die Transportoptik gegenüber einem solchen Pupillenversatz relativ empfindlich ist, begünstigt der Verzicht auf dichroitische Elemente den präzisen Transport des Volumenbildes zwischen Probenraum und zwischen Bildraum. So kann beispielsweise auf hochgenaue Wechselkonzepte für dichroitische Strahlteiler, welche die Anpassung des Strahlteilers auf das jeweilige Experiment ermöglichen und in der benötigten Präzision nur aufwändig und teuer zu realisieren sind, verzichtet werden. Des Weiteren ist die Nutzung dichroitischer Strahlteiler auch für Mehrwellenlängenabbildungen kompromissbehaftet. So kommt es hier beispielsweise häufig zu einem Übersprechen von spektralen Kanälen. Demgegenüber ist der Einsatz von Neutralteiler und Polarisationsteilern für Fluoreszenzabbildungen nicht geeignet. Durch die geometrische Kombination von Beleuchtungslicht und Emissionslicht im Bereich des Zwischenbildes an der Schnittstelle der optischen Achsen von Beleuchtungsoptik, Transportoptik und Detektionsoptik und den durch diese Kombination möglichen Verzicht auf dichroitische Elemente im Transportstrahlengang können die vorstehend erläuterten Nachteile vermieden werden. So sieht die vorstehend genannte Ausführungsform vor, mittels der Beleuchtungsoptik das Lichtblatt in dem Zwischenbildraum zu erzeugen. Die Detektionsoptik hat die Funktion, das im Zwischenbildraum erzeugte Zwischenbild auf den Bildsensor abzubilden. Somit bilden die Beleuchtungsoptik und die Detektionsoptik für sich genommen schon eine Mikroskopeinheit, deren Strahlengänge durch die Transportoptik gleichsam nur noch in die Probe transportiert werden müssen. Diese Mikroskopeinheit kann mit anderen Worten schon als eigenständiges Lichtblattmikroskop aufgefasst werden, das lediglich an die Transportoptik anzukoppeln ist. Damit ist die Anordnung weniger toleranz- und justagesensitiv als Systeme, die mit Strahlteilern oder dergleichen arbeiten, um die Teilsysteme erst zu einem voll funktionsfähigen Mikroskop zusammenzusetzen. Dies gilt umso mehr, als es in den vorstehend genannten Teilsystemen häufig zu Unterschieden in den Aberrationen kommt, die durch geeignete Vorkehrungen ausgeglichen oder eben toleriert werden müssen.
Aus den oben dargelegten Gründen ist die Transportoptik in einer bevorzugten Ausführung strahlteilerfrei. Insbesondere weist sie keinen dichroitischen Strahlteiler zur Einkopplung des Beleuchtungslichts auf.
Vorzugsweise ist das Abtastelement innerhalb der Transportoptik am Ort eines reellen Pupillenbildes, d. h. in der Fourierebene angeordnet. Als beidseitig telezentrisches System weist die Transportoptik nur eine einzige Pupille auf. Die Beleuchtungsoptik enthält vorzugsweise ein Fernrohrsystem und ein dem Zwischenbild zugewandtes Beleuchtungsobjektiv.
Als Lichtquelle wird vorzugsweise eine Laserlichtquelle genutzt, die Lichtquelle kann jedoch auch eine Leuchtdiode oder eine Lampe sein. Bei Verwendung einer Laserlichtquelle ist im Strahlengang der Beleuchtungsoptik kein Anregungsfilter erforderlich. Wird dagegen eine Lichtquelle mit breitem Emissionsspektrum verwendet, kann ein solcher Filter erforderlich sein. Die Beleuchtungsoptik enthält vorzugsweise ein anamorphotisches optisches System zum Erzeugen des Lichtblatts. Dieses anamorphotische System kann durch eine Zylinderlinse allein oder in Kombination mit einem ihr nachgeordneten Beleuchtungsobjektiv realisiert sein.
In einer alternativen Ausführungsform enthält die Beleuchtungsoptik ein weiteres Abtastelement beispielsweise in Form eines Galvanometerspiegels oder eine MEMS-Spiegels zum Erzeugen des Lichtblatts. In dieser Ausführungsform wird durch die Abtastbewegung des auf das Abtastelement fallenden Beleuchtungslichtstrahls das Lichtblatt sequentiell aufgebaut. Diese Art der Lichtblatterzeugung bietet beispielsweise die Möglichkeit, durch eine entsprechende Synchronisation zwischen Lichtquelle und Abtastelement eine Strukturierung des Lichtblatts zu erzielen.
In den vorstehend genannten Ausführungsformen ist das Schiefebenenmikroskop als abtastendes Mikroskop ausgeführt, d. h. als ein Mikroskop, welches das Lichtblatt mittels eines entsprechend angesteuerten Abtastelementes innerhalb der Probe bewegt, um eine Volumenbildgebung zu ermöglichen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf ein solch abtastendes Schiefebenenmikroskop beschränkt. So kann die Volumenbildgebung beispielsweise auch dadurch realisiert werden, dass das probenzugewandte oder das dem Zwischenbildraum zugewandte Objektiv längs der optischen Achse der Transportoptik verschoben wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 den schematischen Aufbau eines Schiefebenenmikroskops als Ausführungsbeispiel;
2 eine abgewandelte Ausführungsform des Schiefebenenmikroskops;
3 eine Darstellung des Schiefebenenmikroskops unter Weglassung der Beleuchtungsoptik;
4 eine schematische Darstellung, welche die Bilderzeugung auf dem Bildsensor ohne Verwendung eines anamorphotischen Vergrößerungssystems veranschaulicht;
5 eine schematische Darstellung, welche die Bilderzeugung auf dem Bildsensor unter Verwendung des anamorphotischen Vergrößerungssystems veranschaulicht; und
6 eine abgewandelte Ausführungsform des Schiefebenenmikroskops, die anstelle eine Abtastelementes ein verschiebbares Objektiv aufweist.
1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines allgemein mit 10 bezeichneten Lichtblattmikroskops, das nach Art eines Schiefebenenmikroskops der Volumenbildgebung dient.
Das Schiefebenenmikroskop 10 umfasst eine Beleuchtungsoptik 12, eine Transportoptik 14 und eine Detektionsoptik 16, deren optische Achsen O₁, O₂ bzw. O₃ in einem in 1 mit 18 bezeichneten Zwischenbildraum zusammenlaufen, d. h. dort einander schneiden. Die Beleuchtungsoptik 12 dient dazu, das ihr von einer Lichtquelle 20 zugeführte Beleuchtungslicht 22 derart in den Zwischenbildraum 18 zu fokussieren, dass dort eine Beleuchtungslichtverteilung nach Art eines Lichtblattes erzeugt wird. Dieses im Zwischenbildraum 18 erzeugte Lichtblatt wird dann durch die Transportoptik 14 in eine Probe 19 abgebildet, so dass ein Ebene der Probe 19 mit dem Lichtblatt beleuchtet und zur Emission von Fluoreszenzstrahlung angeregt wird. Das Lichtblatt bzw. die mit dem Lichtblatt beleuchtete Probenebene sind in 1 rein schematisch dargestellt und dort mit 21 bzw. 23 bezeichnet. Die von der Probe 19 abgegebene Fluoreszenzstrahlung gelangt wiederum in die Transportoptik 14, die so die mit dem Lichtblatt 21 beleuchtete Probenebene 23 als Zwischenbild in den Zwischenbildraum 18 abbildet. Das in dem Zwischenbildraum 18 erzeugte Zwischenbild der beleuchteten Probenebene 23 wird schließlich durch die Detektionsoptik 16 auf eine Sensorfläche 28 eines Bildsensors 30 abgebildet.
Die Beleuchtungsoptik 12 enthält in Ausbreitungsrichtung des von der Lichtquelle 20 ausgesendeten Beleuchtungslichtes 22 nacheinander eine Zylinderlinse 32, ein erstes Verstellelement 34, ein Okularlinsensystem 36, ein zweites Verstellelement 38, ein Tubuslinsenelement 40 sowie ein Beleuchtungsobjektiv 42, das dem Zwischenbildraum 18 zugewandt ist. Die Zylinderlinse 32 und das Beleuchtungsobjektiv 42 sind in dem Ausführungsbeispiel nach 1 Teil eines anamorphotischen optischen Systems, das die Funktion hat, aus dem von der Lichtquelle 20 emittierten Beleuchtungslicht 22 in dem Zwischenbildraum 18 das Lichtblatt in der gewünschten Form zu erzeugen. Dabei fokussiert die Zylinderlinse 32 das Beleuchtungslicht 22 in das von dem Okularlinsensystem 36 und dem Tubuslinsensystem 40 erzeugte Bild der Pupille des Beleuchtungsobjektivs 42. In dem Ausführungsbeispiel nach 1 bilden das Tubuslinsensystem 40 und das Okularlinsensystem 36 somit ein Kepler-Fernrohr mit reellem Zwischenbild. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die in der Ausführungsform nach 1 gewählte Realisierung des anamorphotischen Systems rein beispielhaft zu verstehen ist. So ist es beispielsweise insbesondere bei kleineren numerischen Aperturen auch möglich, unter Verzicht auf das Beleuchtungsobjektiv 42 allein die Zylinderlinse 32 zur Formung des Lichtblattes zu nutzen.
Die beiden in der Beleuchtungsoptik 12 enthaltenen Verstellelemente 34 und 38 bilden eine Verstellvorrichtung, die es ermöglicht, das Lichtblatt 21 relativ zur Sensorfläche 28 des Bildsensors 30 zu justieren, genauer gesagt, relativ zu dem durch die Detektionsoptik 16 in dem Zwischenbildraum 18 erzeugten Bild der Sensorfläche 28, dem das Lichtblatt 21 überlagert ist. Dabei ist das Verstellelement 38 in oder nahe einer Ebene angeordnet, die zu einer Bildebene des Beleuchtungsobjektivs 42 konjugiert ist. Demnach wird durch Verkippen des Verstellelementes 38 hauptsächlich der Winkel geändert, unter dem das Beleuchtungslicht 22 aus dem Beleuchtungsobjektiv 42 tritt. Das Verstellelement 34 ist in oder nahe einer Ebene angeordnet, die zur Pupillenebene des Beleuchtungsobjektivs 42 konjugiert ist. Durch das Verstellelement 34 lässt sich somit hauptsächlich die Position des aus dem Beleuchtungsobjektiv 42 austretenden Beleuchtungslichts 22 einstellen. Die beiden Verstellelemente 34 und 38 erlauben es also, Position und Winkel des Lichtblattes möglichst unabhängig voneinander zu justieren.
Die Beleuchtungsoptik 12 kann für die Lichtblatterzeugung weitere, in 1 nicht explizit gezeigte Elemente enthalten, beispielsweise eine Feldblende und/eine Aperturblende. Die Feldblende hat hierbei die Funktion, das Lichtblatt in der Richtung, in der es ausgedehnt ist, zu begrenzen. Demgegenüber dient die Aperturblende der Begrenzung des Öffnungswinkels, mit dem das Lichtblatt fokussiert wird.
Die Transportoptik 14 enthält ein der Probe 19 zugewandtes Objektiv 44, ein Tubuslinsensystem 46, ein Okularlinsensystem 48, ein Abtastelement 50, ein Okularlinsensystem 52, ein Tubuslinsensystem 54, ein Umlenkelement 26, ein Afokalsystem 58 sowie ein Zwischenabbildungsobjektiv 56 in dieser Reihenfolge vom Objekt her betrachtet. Das Objektiv 44 bildet dabei das einzige probenzugewandte Objektiv des Schiefebenenmikroskops 10.
Die Transportoptik 14 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als beidseitig telezentrisches optisches System ausgeführt. Das in der Transportoptik 14 enthaltene Afokalsystem 58 dient dazu, die für den gewünschten Volumenbildtransport erforderliche Vergrößerungsanpassung an das Brechungsindexverhältnis zwischen Probenraum und Zwischenbildraum 18 vorzunehmen.
Das Abtastelement 50, das beispielsweise als Galvanometerspiegel oder MEMS-Spiegel ausgeführt ist, ermöglicht es, die Probe 19 lateral, d. h. quer zur optischen Achse des Objektivs 44 mit dem Lichtblatt abzutasten. Hierzu ist das Abtastelement 50 zwischen den beiden Okularlinsensystemen 48 und 52 an einer Stelle angeordnet, an der mit Hilfe der Okularlinsensysteme 48 und 52 ein reelles Bild der Pupille der Transportoptik 14 erzeugt wird.
Die Detektionsoptik 16 enthält ein dem Zwischenbildraum 18 zugewandtes Detektionsobjekt 60 sowie eine weiter unten genauer beschriebene Funktionseinheit 62, die ein Tubuslinsensystem 63 und anamorphotisches Vergrößerungssystem 65 umfasst (vgl. 3). Über das Detektionsobjektiv 60 und die Funktionseinheit 62 wird das durch die Transportoptik 14 in dem Zwischenbildraum erzeugte Zwischenbild der mit dem Lichtblatt 21 beleuchteten Probenebene 23 auf die Sensorfläche 28 des Bildsensors 30 abgebildet.
Das Schiefebenenmikroskop 10 weist ferner eine Kontrolleinheit 64 auf, welche die Lichtquelle 20, den Bildsensor 30 und das Abtastelement 50 steuert. Insbesondere sorgt die Kontrolleinheit 64 dafür, dass die Lichtquelle 20, der Bildsensor 30 und das Abtastelement 50 aufeinander synchronisiert betrieben werden. So stellt die Kontrolleinheit 64 beispielsweise sicher, dass die Verkippung des Abtastelementes 50 und damit die laterale Abtastbewegung des Lichtblatts 21 mit der Bildaufnahme des Bildsensors 30 synchronisiert wird. Auch die Lichtquelle 20 kann mit Hilfe der Kontrolleinheit 64 synchronisiert betrieben werden, etwa in der Weise, dass das Beleuchtungslicht während einer Rückstellbewegung des Abtastelementes 50 und/oder während einer Auslesezeit des Bildsensors 30 abgeschaltet wird. Diese synchronisierenden Steuervorgänge sind selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen.
Da in dem Schiefebenenmikroskop 10 nach 1 die Beleuchtungsoptik 12, die Transportoptik 14 und die Detektionsoptik 16 derart aufeinander ausgerichtet sind, dass ihre optische Achsen O₁, O₂ bzw. O₃ im Zwischenbildraum 18 zusammenlaufen, erfolgt die Einkopplung des von der Lichtquelle 20 erzeugten Beleuchtungslichts 22 in die Transportoptik 14 gleichsam durch eine geometrische Kombination im Bereich des Zwischenbildes, was einen Verzicht auf dichroitische Strahlteilerelemente im Bereich der Transportoptik 14 ermöglicht. Somit kann ein die Abbildungsleistung der Transportoptik 14 beeinträchtigender Pupillenversatz zuverlässig vermieden werden.
In 2 ist eine Abwandlung des in 1 gezeigten Schiefebenenmikroskops 10 als zweites Ausführungsbeispiel gezeigt. Diese Abwandlung besteht allein darin, dass anstelle der Zylinderlinse 32, die in dem ersten Ausführungsbeispiel der Erzeugung des Lichtblattes 21 dient, ein weiteres Abtastelement 24 in der Beleuchtungsoptik 12 vorgesehen ist. Das Abtastelement 24, das beispielsweise ein Galvanometerspiegel oder ein MEMS-Spiegel ist, ist in der Beleuchtungsoptik 12 an der Stelle angeordnet, an der sich in dem ersten Ausführungsbeispiel das Verstellelement 34 befindet. Das Abtastelement 24 bewirkt eine Abtastbewegung des Beleuchtungslichts, durch die das gewünschte Lichtblatt 21 sequentiell aufgebaut wird. Dabei sorgt die Kontrolleinheit 64 wiederum dafür, dass der Betrieb des Abtastelementes 24 mit den anderen Systemkomponenten, insbesondere dem in der Transportoptik 14 enthaltenen Abtastelement 50 und dem Bildsensor 30 synchronisiert ist.
Zur Erläuterung, wie die in den 1 und 2 allgemein mit 62 bezeichnete Funktionseinheit mit dem Bildsensor 30 in erfindungsgemäßer Weise zusammenwirkt, sind in 3 die Detektionsoptik 16 und die Transportoptik 14 des Schiefebenenmikroskops 10 unter Weglassung der Beleuchtungsoptik 12 nochmals gezeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 3 das in der Transportoptik 14 enthaltene Afokalsystem 58 weggelassen.
Der in der Detektoroptik 16 enthaltene Bildsensor 30 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein sCMOS-Sensor, dessen Sensorfläche 28 aus einem Array von Pixeln 31 gebildet ist (vgl. 4 und 5). Unter Bezugnahme auf das in den 3 bis 5 gezeigte Koordinatensystem, beinhaltet dieses Array mehrere Sensorzeilen 33, die sich jeweils in Richtung der x-Achse erstrecken, sowie mehrere Sensorspalten 35, die sich jeweils in Richtung der y-Achse erstrecken. Als sCMOS-Sensor hat der Bildsensor 30 die Eigenschaft, dass die Zeit, die zum Auslesen der in dem Bildsensor 30 erzeugten Bildsignale benötigt wird, im Wesentlichen allein von der Anzahl der Sensorzeilen 33, nicht jedoch von der Anzahl der Sensorspalten 35 abhängt.
Unter Berücksichtigung des Umstandes, dass die optische Achse O₃ der Detektionsoptik gegenüber der optischen Achse O₂ der Transportoptik 14 verkippt und damit die Sensorfläche 28 des Bildsensors 30 gegenüber der optischen Achse O₂ der Transportoptik schräg gestellt ist, ist somit die Ausrichtung der Sensorzeilen 33 gerade so gewählt, dass die Sensorzeilen 33 orthogonal zur optischen Achse O₂ der Transportoptik 14 liegen. Dies bedeutet, dass die Sensorzeilen 33 in ihrer jeweiligen Längserstreckung keine Komponente längs der optischen Achse O₂ der Transportoptik 14 aufweisen.
Demgegenüber weisen die Sensorspalten 35 des Bildsensors 30, die längs der y-Achse ausgerichtet sind, in ihrer Längserstreckung jeweils eine Komponente entlang der optischen Achse O₂ der Transportoptik 14 auf. Diese durch die Schrägstellung der Detektionsoptik 16 gegenüber der Transportoptik 14 verursachte Komponente kann dazu führen, dass die Transportoptik 14 nicht imstande ist, in Richtung der y-Achse die volle Apertur der Detektionsoptik 16 auszuleuchten, was zu einer reduzierten Auflösung in Richtung der y-Achse führt. Außerdem kann sich infolge dieser Schrägstellung eine in der Transportoptik 14 auftretende sphärische Aberration, die beispielsweise durch eine probenbedingte Brechungsindexfehlanpassung verursacht wird, in dem auf dem Kamerasensor 30 erzeugten Bild in einer Koma-Aberration in Richtung der y-Achse manifestieren. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Auflösung in Richtung der y-Achse.
Die vorstehend erläuterten, die Bildgebung an sich negativ beeinflussenden Umstände werden nun gemäß der vorliegenden Erfindung mittels des in der Funktionseinheit 62 enthaltenen anamorphotischen Vergrößerungssystems 65 dazu genutzt, die Anzahl der auszulesenden Sensorzeilen 33 des Bildsensors 30 zu verringern, wodurch die Ausleserate des Bildsensors 30 erhöht werden kann. Aber auch ohne die vorgenannten Einflüsse auf die Abbildung kann eine Erhöhung der Ausleserate applikativ wünschenswert sein, wobei die verringerte Abtastrate der Digitalisierung des Bildes durch den Sensor 30 akzeptiert wird. So ist das anamorphotische Vergrößerungssystem 65 derart ausgebildet, dass seine Vergrößerung in Richtung der y-Achse kleiner als in Richtung der x-Achse ist.
Die Wirkung des anamorphotischen Vergrößerungssystems 65 ist in den 4 und 5 veranschaulicht. Dabei zeigt 4 rein beispielhaft ein Bild A, das ohne Zuhilfenahme des anamorphotischen Vergrößerungssystems 65 auf der Sensorfläche 28 des Bildsensors 30 erzeugt wird. In dem Beispiel nach 4 erstreckt sich das Bild A insgesamt über zwölf Sensorzeilen 33.
Demgegenüber zeigt 5 die entsprechende Abbildung unter Verwendung des anamorphotischen Vergrößerungssystems 65. In dem dargestellten Beispiel sorgt das anamorphotische Vergrößerungssystem 65 dafür, dass sich das auf der Sensorfläche 28 des Bildsensors 30 erzeugte Bild A nur noch über sechs Sensorzeilen 33 längs der y-Achse erstreckt. Demzufolge hat sich die Zahl der auszulesenden Sensorzeilen 33 in derjenigen Richtung, in der die Auflösung infolge der zueinander verkippten optischen Achsen von Transportoptik 14 und Detektionsoptik 16 ohnehin herabgesetzt sein kann, verringert.
Das in den 1 und 2 dargestellte Schiefebenenmikroskop 10 weist das Abtastelement 50 auf, welches dazu dient, die Probe 19 lateral, d. h. quer zur optischen Achse des Objektivs 44 mit dem Lichtblatt 21 abzutasten. Das Schiefebenenmikroskop 10 ist jedoch nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. So zeigt die 6 eine Anordnung, die der in 3 dargestellten Anordnung entspricht, jedoch ohne das Abtastelement 50 und folglich auch ohne die beiden Okularlinsensysteme 48, 52 auskommt. Um in der Anordnung nach 6 ein Abtasten der Probe 19 mit dem Lichtblatt 21 und damit eine Volumenbildgebung zu ermöglichen, ist das probenzugewandte Objektiv 44 längs der optischen Achse O₂ verschiebbar. Eine Verschiebung des dem Zwischenbildraum zugewandten Objektivs 56 ist jedoch auch denkbar.
Bezugszeichenliste

10: Lichtblattmikroskop
12: Beleuchtungsoptik
14: Transportoptik
16: Detektionsoptik
18: Zwischenbildraum
19: Probe
20: Lichtquelle
21: Lichtblatt
22: Beleuchtungslicht
23: Probenebene
24: Abtastelement
26: Umlenkelement
28: Sensorfläche
30: Bildsensor
31: Pixel
32: Zylinderlinse
33: Sensorzeilen
34: Verstellelement
35: Sensorspalten
36: Okularlinsensystem
38: Verstellelement
40: Tubuslinsensystem
42: Beleuchtungsobjektiv
44: probenzugewandtes Objektiv
46: Tubuslinsensystem
48: Okularlinsensystem
50: Abtastelement
52: Okularlinsensystem
54: Tubuslinsensystem
56: Zwischenabbildungsobjektiv
58: Afokalsystem
60: Detektionsobjektiv
62: Funktionseinheit
63: Tubuslinsensystem
64: Kontrolleinheit
65: anamorphotisches Vergrößerungssystem
66: Bildrotationseinheit
O₁: optische Achse der Beleuchtungsoptik
O₂: optische Achse der Transportoptik
O₃: optische Achse der Detektionsoptik

Claims

Schiefebenenmikroskop (10) umfassend: eine Detektionsoptik (16) mit einem Bildsensor (30), der eine aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Sensorzeilen (33) gebildete Sensorfläche (28) aufweist, die senkrecht zur optischen Achse (O₃) der Detektionsoptik (16) angeordnet ist, und eine Transportoptik (14) mit einem probenzugewandten Objektiv (44), das sowohl zur Probenbeleuchtung mittels eines gegenüber der optischen Achse (O₂) der Transportoptik (14) verkippten Lichtblatts (21) als auch zur Abbildung einer mit dem Lichtblatt (21) beleuchteten Probenebene (23) auf die Sensorfläche (28) des Bildsensors (30) vorgesehen ist, wobei die optischen Achsen (O₃, O₂) der Detektionsoptik (16) und der Transportoptik (14) einander in einem Zwischenbildraum (18) schneiden und die optische Achse (O₃) der Detektionsoptik (16) gegenüber der optischen Achse (O₂) der Transportoptik (14) verkippt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sensorzeilen (33) jeweils in einer zur optischen Achse (O₂) der Transportoptik (14) orthogonalen Richtung erstrecken, und die Detektionsoptik (16) ein anamorphotisches Vergrößerungssystem (65) aufweist, dessen Vergrößerung in einer orthogonal zu den Sensorzeilen (33) des Bildsensors (30) liegenden Richtung kleiner als in einer parallel zu den Sensorzeilen (33) des Bildsensors (30) liegenden Richtung ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (30) ein sCMOS-Sensor ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anamorphotische Vergrößerungssystem ein Tubuslinsensystem ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anamorphotische Vergrößerungssystem (65) ein Teleskopsystem ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das anamorphotische Vergrößerungssystem (65) ein Prismensystem ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das anamorphotische Vergrößerungssystem (65) Teil einer Wechselvorrichtung ist, die mehrere wahlweise in die Detektionsoptik (16) einbringbare Vergrößerungssysteme umfasst.
Schiefebenenmikroskop (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsoptik (12) zum Erzeugen des Lichtblatts (21) in einem Zwischenbildraum (18), wobei die Transportoptik (14) beidseitig telezentrisch ausgebildet ist und das in dem Zwischenbildraum (18) erzeugte Lichtblatt (21) in die Probe (19) abbildet und die mit dem Lichtblatt (21) beleuchtete Probenebene (23) als Zwischenbild in den Zwischenbildraum (18) abbildet, die Detektionsoptik (16) das in dem Zwischenbildraum (18) erzeugte Zwischenbild auf den Bildsensor (30) abbildet, und die optischen Achsen (O₁, O₂, O₃) der Beleuchtungsoptik (12), der Transportoptik (14) und der Detektionsoptik (16) einander in dem Zwischenbildraum (18) schneiden.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein in der Transportoptik (14) angeordnetes Abtastelement (50), durch welches das Lichtblatt in der Probe quer zur optischen Achse (O₂) der Transportoptik (14) bewegbar ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportoptik (14) strahlteilerfrei ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtastelement (50) innerhalb der Transportoptik (14) am Ort eines reellen Pupillenbildes angeordnet ist.
Schiefebenenmikroskop (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (12) ein Fernrohrsystem (36, 40) und ein dem Zwischenbildraum (18) zugewandtes Beleuchtungsobjektiv (42) enthält.
Schiefebenenmikroskop (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (12) ein anamorphotisches System (32, 42) zum Erzeugen des Lichtblatts in dem Zwischenbildraum (18) enthält.
Schiefebenenmikroskop (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsoptik (12) ein weiteres Abtastelement (24) zum Erzeugen des Lichtblatts in dem Zwischenbildraum enthält.
Schiefebenenmikroskop (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das probenzugewandte Objektiv (44) längs der optischen Achse (O₂) der Transportoptik verschiebbar ist.