DE102017203742A1 - Method and device for measuring the spatial extent of the illumination spot image function - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion in der Multi-Photon-Mikroskopie.Aufgabe ist es, die räumliche Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit zu messen. Die Messeinrichtung, soll robust ohne großen Justieraufwand arbeiten und durch eine kleine handliche Bauform insbesondere für den universellen Einsatz von Routinemessungen als auch im Servicebereich nutzbar sein.Erfindungsgemäß wird durch die Aufteilung eines auszuwertenden Laserstrahls (2) durch einen polarisationsunabhängigen oder einen polarisationsabhängigen Strahlteiler (3) auf einen linearen Detektor (4) und einen nichtlinearen Detektor (5) und durch die Quotientenbildung eines Messsignals (S1) des linearen Detektors (4) und eines Messsignals (S) des nichtlinearen Detektors (5), die bei Ein- und Mehrphotonen-Wechselwirkungen entstehen, die räumliche Halbwertsbreite bestimmt, aus der Informationen über die räumliche Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion in der Multi-Photon-Mikroskopie ableitbar sind.The invention relates to a method and a device for measuring the spatial extent of the illumination spot image function in multi-photon microscopy. The task is to measure the spatial extent of the illumination spot image function with little effort and high accuracy. The measuring device, should work robustly without great adjustment effort and be usable by a small handy design especially for the universal use of routine measurements as well as in the service area. According to the invention, the distribution of a laser beam (2) to be evaluated by a polarization-independent or a polarization-dependent beam splitter (3) to a linear detector (4) and a non-linear detector (5) and by the quotient of a measurement signal (S1) of the linear detector (4) and a measurement signal (S) of the nonlinear detector (5), which in single and multiphoton interactions arise, the spatial half width determines from which information about the spatial extent of the illumination point image function in the multi-photon microscopy are derivable.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion in der Multi-Photon-Mikroskopie. Die momentan im High-End-Bereich der Multi-Photon-Mikroskopie verwendeten Verfahren zur Messung der räumlichen Beleuchtungspunktbildfunktion (PSF) basieren meistens auf dem Abtasten der räumlichen Beleuchtungspunktbildfunktion mittels ultrakleiner fluoreszierender Kügelchen (Beads) oder ultradünner Fluoreszenzschichten (Brakenhoff) und erfordern einen großen technischen Aufwand zur Realisierung solcher Verfahren. Es müssen geeigneten Proben hergestellt werden, die meist nicht allzu lange haltbar und vom Bleichen betroffen sind. Es müssen z-Stacks gemessen werden und die Daten müssen mit FIT-Algorithmen ausgewertet werden.The invention relates to a method and a device for measuring the spatial extent of the illumination spot image function in multi-photon microscopy. The spatial illumination spot image (PSF) measurement methods currently used in the high-end area of multi-photon microscopy are mostly based on scanning the spatial illumination spot image function using ultra-small beads or ultra-thin fluorescent layers (Brakenhoff) and require a large amount of technical expertise Effort to implement such methods. It must be prepared suitable samples, which are usually not too long lasting and affected by bleaching. Z-stacks must be measured and the data must be evaluated with FIT algorithms.
Es ist bekannt, dass die Messung der Pulsdauer kurzer Lichtimpulse bis zu einer Dauer von 10ps mittels schneller Photodetektoren direkt erfolgt und unterhalb dieser Grenze bis etwa 0,5ps mittels Streakkameras und im Pikosekunden- und Subpikosekundenbereich indirekt über Korrelationsverfahren. So ist aus der
Die Vorrichtung zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse umfasst einen Strahlteiler zur Aufteilung des auszuwertenden Lichtstrahls in zwei mit gleichen optischen Eigenschaften zu detektierende Teilstrahlen und zwei Lichtempfänger mit jeweils von der Impulsdauer unterschiedlich abhängenden Ausgangssignalen für die durch den Strahlteiler getrennten Teilstrahlen. Die Lichtempfänger stehen mit einer Auswertestufe zur Quotientenbildung der Ausgangssignale der Lichtempfänger in Verbindung.The apparatus for pulse duration measurement of very short light pulses comprises a beam splitter for splitting the light beam to be evaluated into two sub-beams to be detected with the same optical properties and two light receivers each having output signals different from the pulse duration for the sub-beams separated by the beam splitter. The light receivers are connected to an evaluation stage for quotient formation of the output signals of the light receivers.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion in der Multi-Photon-Mikroskopie zu schaffen, das mit geringem Aufwand und hoher Genauigkeit die Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion ermöglicht. Weiterhin soll eine entsprechende Messeinrichtung vorgeschlagen werden, die robust und ohne großen Justieraufwand arbeitet und durch eine kleine handliche Bauform insbesondere für den universellen Einsatz von Routinemessungen auch im Servicebereich nutzbar ist.Based on this prior art, the present invention seeks to provide a method for measuring the spatial extent of the illumination point image function in multi-photon microscopy, which allows the measurement of the spatial extent of the illumination point image function with little effort and high accuracy. Furthermore, a corresponding measuring device is to be proposed, which works robustly and without great adjustment effort and can be used in the service sector, in particular for the universal use of routine measurements, by means of a small, handy design.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, bei dem durch die Quotientenbildung eines Messsignals eines linearen Detektors und eines Messsignals eines nichtlinearen Detektors, die bei Ein-Photonen-Wechselwirkungen beziehungsweise bei Mehrphotonen-Wechselwirkungen entstehen, die räumliche Halbwertsbreite bestimmt wird. Aus diesen Quotienten sind Informationen über die räumliche Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion in der Multi-Photon-Mikroskopie ableitbar. Die Messeinrichtung (oder kurz: Einrichtung) zur Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion umfasst einen Strahlteiler zur Aufteilung des auszuwertenden Lichtstrahls in zwei zu detektierende Teilstrahlen. Ein aus einem Kalibrierobjektiv austretender Laserstrahl wird durch einen polarisationsunabhängigen oder durch einen polarisationsabhängigen Strahlteiler auf einen linearen Detektor und auf einen nichtlinearen Detektor verteilt. Die von dem linearen Detektor und dem nichtlinearen Detektor jeweils ermittelten und in Verstärkern verstärkten Signale sind einer Auswerteeinheit zur Bildung eines Quotienten bereitgestellt beziehungsweise bereitstellbar. Die Quotientenbildung ist zur Bestimmung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion vorgesehen. Der Einsatz von Photodioden als lineare bzw. nichtlineare Detektoren (z.B. SiC) führt zu einem breiten spektralen Einsatzbereich, der durch die elektronische Bandstruktur der Halbleiter gegeben ist. Nach der Messung der beiden Signale kann dann durch die Quotientenbildung die räumliche, insbesondere 2D-, Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion (2D-FWHM) mittels eines Computers bestimmt werden. Dazu wird nach der Messung der beiden Signale durch Quotientenbildung die räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion mittels analoger oder digitaler Auswerteeinheiten bestimmt. Ein Computer kann ein bekannter PC, aber auch eine Rechnereinheit (z. B. CPU) sein, die zudem in einer Auswerteeinheit integriert oder mit dieser verbunden sein kann. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung ist unempfindlich gegenüber klimatischen Schwankungen, eine Justierung ist nicht notwendig und damit entfallen Justierzeiten. Weiterhin besitzt die Messeinrichtung eine kleine handliche Bauform.To achieve this object, the invention proposes a method in which the spatial half-width is determined by the quotient of a measurement signal of a linear detector and a measurement signal of a nonlinear detector, which arise in one-photon interactions or multiphoton interactions. Information about the spatial extent of the illumination spot image function in multi-photon microscopy can be derived from these quotients. The measuring device (or in short: device) for measuring the spatial extent of the illumination point image function comprises a beam splitter for splitting the light beam to be evaluated into two partial beams to be detected. A laser beam emerging from a calibration lens is distributed by a polarization-independent or by a polarization-dependent beam splitter to a linear detector and to a nonlinear detector. The signals respectively determined by the linear detector and the nonlinear detector and amplified in amplifiers are provided or can be made available to an evaluation unit for forming a quotient. The quotient formation is provided for determining the spatial extent of the illumination spot image function. The use of photodiodes as linear and non-linear detectors (e.g., SiC) results in a broad spectral range of use given by the electronic band structure of the semiconductors. After measuring the two signals, the spatial, in particular 2D, expansion of the illumination point image function (2D-FWHM) can then be determined by means of a computer by quotient formation. For this purpose, after the measurement of the two signals by quotient formation, the spatial extent of the illumination point image function is determined by means of analog or digital evaluation units. A computer may be a known PC, but also a computer unit (eg CPU), which may also be integrated in or connected to an evaluation unit. The measuring device according to the invention is insensitive to climatic fluctuations, an adjustment is not necessary and thus accounts adjustment times. Furthermore, the measuring device has a small handy design.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass als lineare und nichtlineare Detektoren Photodioden mit einem breiten spektralen Bereich vorgesehen sind, wobei für den linearen Detektor ein deutlich geringerer Lichtanteil ausreichend ist, als für den nichtlinearen Detektor.It is advantageously provided that photodiodes having a broad spectral range are provided as linear and nonlinear detectors, wherein a significantly lower light component is sufficient for the linear detector than for the nonlinear detector.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die Bandlücke des linearen Detektors eine Ein-Photonenanregung ermöglicht und die Bandlücke des nichtlinearen Detektors eine Zwei-Photonenanregung.Preferably, it is further provided that the band gap of the linear detector has a Photon excitation allows and the band gap of the nonlinear detector a two-photon excitation.
Die Erfindung wird folgend anhand eines schematisch in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to an embodiment schematically illustrated in a drawing.
Es zeigt:
-
1 eine Prinzipdarstellung der Messeinrichtung.
-
1 a schematic diagram of the measuring device.
Die in ihrem Aufbau dargestellte Messeinrichtung
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Quotientenbildung eines linearen und nichtlinearen Messsignals, wie es bei der Ein-Photon-Wechselwirkung bzw. der Mehr-Photonen-Wechselwirkung entsteht, zugrunde:
- Sn - Messsignal
- Cn - Proportionalitätsfaktor, material-(detektor-)spezifisch, z.B. kann darin der Absorptionsquerschnitt enthalten sein
- Pavg - mittlere Laserleistung
- τ - Impulsdauer
- f - Laser-Repetitionsrate
- A - Beleuchtungsquerschnittsfläche: A = π wo 2 wo ist der 1/e^2-Radius und steht in unmittelbaren Zusammenhang zur Halbwertsbreite (FWHM)
- S n - measuring signal
- C n - proportionality factor, material (detector) specific, eg it may contain the absorption cross section
- P avg - average laser power
- τ - pulse duration
- f - laser repetition rate
- A - illumination cross-sectional area: A = π w o 2 w o is the 1 / e ^ 2 radius and is directly related to the full width at half maximum (FWHM)
Die obige Berechnung des Messsignals Sn wird für den linearen Detektor
Während in bekannten Messverfahren der Quotient QMess zur Messung der Impulsdauer verwendet wird, geht es in der vorliegenden Erfindung um die Nutzung der Anordnung einschließlich der Signalauswertung zur Bestimmung der räumlichen Halbwertsbreite, da der Quotient QMess sehr empfindlich auf Änderungen der räumlichen Halbwertsbreite reagiert:
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion besteht darin, dass gegenüber dem bekannten Verfahren zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse, bei dem die Quotientenbildung aus den beiden detektierten Empfängersignalen zur Bestimmung der Impulsdauer sowohl analog als auch digital in einem Rechner ausgeführt wird, im erfindungsgemäßen Verfahren dagegen durch die Quotientenbildung eines Messsignals S1 eines linearen Detektors
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, dass gegenüber bekannten Verfahren zur Messung der räumlichen Ausdehnung der Beleuchtungspunktbildfunktion keine aufwendigen Detektionsmedien, beispielsweise fluoreszierende Beads oder ultradünne Schichtproben notwendig sind. Weiterhin sind keine pixelierte 2D-Detektoren notwendig. Auch die Aufnahme von z-Stacks, d.h. die Aufnahme von 3D-Probenvolumina entfällt. Das Verfahren der Quotientenbildung hat neben der rechentechnisch einfachen Auswertung den Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik keine Justierungen der Messeinrichtung notwendig sind und damit aufwendige Justier- und Einrichtungszeiten entfallen. Weiterhin sind, wie bei bekannten sogenannten Einzelschussverfahren, in denen alle Pixel eines dreidimensional aufgelösten Bildes gleichzeitig aufgenommen werden, keine beweglichen Komponenten, im Gegensatz zu jenen Verfahren aber keine ortsauflösenden Detektoren erforderlich, sondern nur zwei Lichtempfänger - insbesondere ohne spektrale Filter, wenn Dioden eingesetzt werden. Es tritt beim Einsatz von Dioden im Gegensatz zur Signalerzeugung in einer Fluoreszenzprobe auch kein Bleicheffekt auf.Further advantages of the method according to the invention are that over known methods for measuring the spatial extent of the illumination point image function no elaborate detection media, such as fluorescent beads or ultrathin layer samples are necessary. Furthermore, no pixelated 2D detectors are necessary. The inclusion of z-stacks, ie the recording of 3D sample volumes is eliminated. In addition to the computationally simple evaluation, the method of quotient formation has the advantage that, in contrast to the prior art, no adjustments of the measuring device are necessary, and thus complex adjustment and setup times are eliminated. Furthermore, as in known so-called single-shot methods, in which all pixels of a three-dimensionally resolved image are recorded simultaneously, no moving components, in contrast to those methods but no spatially resolving detectors required, but only two light receivers - especially without spectral filters when diodes are used , There is no bleaching effect when using diodes, in contrast to the signal generation in a fluorescence sample.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in dem angewandten Verfahren und der Messeinrichtung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- KalibrierobjektivCalibration objective
- 22
- Laserstrahllaser beam
- 33
- Stahlteilerbeam splitter
- 44
- linearer Detektorlinear detector
- 55
- nichtlinearer Detektornonlinear detector
- 66
- Verstärkeramplifier
- 77
- Verstärkeramplifier
- 88th
- Auswerteeinheitevaluation
- 99
- Mikroskopmicroscope
- MM
- Messeinrichtungmeasuring device
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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