DE102020211148A1

DE102020211148A1 - Anordnung zur Lichtblattmikroskopie, Immersionsobjektiv und Verfahren zur Reduzierung von Aberrationen

Info

Publication number: DE102020211148A1
Application number: DE102020211148.0A
Authority: DE
Inventors: Marco Pretorius; Lars-Christian Wittig
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-03-10
Also published as: US20220075169A1; US11841490B2

Abstract

Die Erfindung betrifft Anordnung zur Lichtblattmikroskopie, umfassend ein Beleuchtungsobjektiv (2) zur Beleuchtung einer auf einem Objektträger (7) in einem Medium (8) befindlichen Probe (5) mit einem Lichtblatt (6), ein Detektionsobjektiv (3), ein Trennschichtsystem mit mindestens einer Schicht aus einem vorgegebenen Material mit vorgegebener Dicke, welche das Medium (8) von dem Beleuchtungsobjektiv (2) und dem Detektionsobjektiv (3) trennt, sowie ein im Strahlengang des Detektionsobjektivs (3) angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.1) und ein weiteres adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.2) und / oder ein im Strahlengang des Beleuchtungsobjektivs (2) angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.1) und optional ein weiteres adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.2).Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung eine Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des ersten und des Detektionskorrekturelements (12.1, 12.2) und/oder des ersten und des weiteren Beleuchtungskorrekturelements (12.1, 12.2); sowie eine Steuereinheit (13), die konfiguriert ist, um anhand von Informationen zu der aktuellen Stellung des ersten und/oder weiteren Detektionskorrekturelements (12.1, 12.2) und/oder Beleuchtungskorrekturelements (12.1, 12.2), dem aktuellen Brechungsindex eines verwendeten Immersionsmittels, einer abzubildenden Probe (5) und/oder dem aktuellen Brechungsindex des Mediums (8), Steuerbefehle zu generieren und mittels der Steuerbefehle die Verstelleinrichtungen anzusteuern, so dass Aberrationen reduziert werden.Die Erfindung betrifft außerdem Objektive (2, 3) und ein Verfahren zur Reduzierung von Aberrationen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lichtblattmikroskopie, Objektive, ein Mikroskop mit der Anordnung sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Aberrationen einer Anordnung zur Mikroskopie.
Die Lichtblattmikroskopie (Selective Plane Illumination Microscopy, SPIM) wird häufig in den Lebenswissenschaften verwendet, um von empfindlichen, insbesondere lebenden, Proben zwei- und dreidimensionale Darstellungen zu erzeugen. Dazu werden mittels Zylinderlinsen und/oder in einer Ebene gescannten Lichtstrahlen sowie einem Beleuchtungsobjektiv dünne Lichtblätter erzeugt, mittels denen insbesondere fluoreszierende Marker in den Proben zur Emission von Fluoreszenzstrahlung als eine Detektionsstrahlung angeregt werden.
Üblicherweise wird die Detektionsstrahlung mittels eines im Wesentlichen senkrecht auf das Lichtblatt gerichtetem Detektionsobjektiv gesammelt. Beleuchtungsobjektiv und Detektionsobjektiv sind also etwa in einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet.
Die zur Beleuchtung und/oder Anregung verwendete Strahlung der Beleuchtung sowie die erfasste Detektionsstrahlung treten auf dem Weg von der Probe hin zum jeweiligen Objektiv durch mehrere Schichten mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, insbesondere mit unterschiedlichen Brechzahlen. Diese Schichten sind beispielsweise durch ein Medium, in dem sich die Probe befindet, sowie einen Luftspalt zwischen Objektiv und Medium gegeben. Ist die Probe in einem Gefäß mit durchsichtigem Boden oder auf einem Objektträger vorhanden und sind die Objektive in einer inversen Anordnung durch den Gefäßboden beziehungsweise durch den Objektträger (beides nachfolgend vereinfachend als Objektträger bezeichnet) auf die Probe gerichtet, so sind die Schichten beispielsweise durch den Gefäßboden/Objektträger und einen Luftspalt gebildet. Der Luftspalt kann jeweils mit einem Immersionsmedium gefüllt sein. Da diese Schichten das jeweilige Objektiv von der Probe beziehungsweise von dem Medium trennen, wird auch der Begriff des Trennschichtsystems verwendet. Bei Verwendung einer inversen Anordnung muss das Schichtensystem mit dem Objektträger zudem schräg, beispielsweise unter einem Winkel von je 45° oder zum Beispiel unter einer Winkelkombination von 30° und 60° durchstrahlt werden.
Infolge des, insbesondere schrägen, Durchgangs von Beleuchtungsstrahlung und Detektionsstrahlung durch das Trennschichtsystem treten Aberrationen auf, die soweit als möglich korrigiert werden müssen. Weitere Abbildungsfehler können infolge unterschiedlicher Brechzahlen des Mediums auftreten und müssen ebenfalls kompensiert werden.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der DE 10 2016 212 019 A1 eine Anordnung zur Lichtblattmikroskopie bekannt, bei der sowohl in dem Beleuchtungsobjektiv als auch in dem Detektionsobjektiv jeweils optische Korrekturelemente vorhanden sind, durch deren Wirkung Aberrationen weitgehend reduziert werden.
Als Korrekturelemente können beispielsweise sogenannte Alvarezplatten oder von deren Wirkprinzip abgeleitete Wellenfrontmanipulatoren verwendet werden, wie sie in der DE 10 2012 101 62 B3 beschrieben sind. Dabei besteht ein Wellenfrontmanipulator mit Alvarezplatten aus zwei gegeneinander in einer Stellrichtung verschiebbaren Platten. Diese sind orthogonal zum Strahlengang des betreffenden Objektivs angeordnet und auf den einander zugewandten Seitenflächen als Freiformflächen gestaltet. Durch eine relative Verschiebung der Platten zueinander kann deren optische Wirkung auf eine Strahlung verändert werden. Eine Verwendung solcher Wellenfrontmanipulatoren in Objektiven für die Lichtblattmikroskopie ist beispielsweise aus der WO 2015/1155027 A1 bekannt.
Erschwert werden die Korrekturen der durch ein Trennschichtsystem hindurchgetretenen Strahlung dadurch, dass dessen Schichten keine gleichmäßigen Dicken aufweisen. So schwanken beispielsweise die Materialdicken von Objektträgern fertigungsbedingt sowohl innerhalb eines Objektträgers als auch zwischen verschiedenen Objektträgern.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es lediglich möglich, sehr kleine Variationen im Brechungsindex (Brechzahl) des die Probe umgebenden Mediums (Probenmedium) von maximal ± 0,01, sowie Dickenschwankungen beispielsweise des Objektträgers im Bereich von ca. ± 0,02 mm um einen bestimmten Sollwert (beispielsweise 0,17 mm) herum auszugleichen. Es ist mit keiner der bekannten Anordnungen möglich, größere Änderungen des Brechungsindex der Probe (Probenbrechzahl), beispielsweise von Δ n ≥ 0,1, hinsichtlich der Bildfehlerwirkung so zu kompensieren, dass eine beugungsbegrenzte Abbildungsgüte erhalten bleibt und kein kompletter Austausch optischer Baugruppen erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit zur Korrektur sowohl von Schwankungen der Dicke verwendeter Objektträger als auch von unterschiedlichen Brechzahlen der verwendeten Probenmedien und/oder Immersionsmedien vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Lösung der Aufgabe besteht in einer Anordnung zur Lichtblattmikroskopie, die ein Beleuchtungsobjektiv, ein Detektionsobjektiv, ein Trennschichtsystem und Korrekturelemente umfasst.
Das Beleuchtungsobjektiv dient zur Beleuchtung einer auf einem Objektträger in einem Medium (Probenmedium) befindlichen Probe mit einem Lichtblatt. Die Beleuchtung erfolgt dabei entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs. Der Objektträger ist hinsichtlich einer ebenen Bezugsfläche ausgerichtet. Die Bezugsfläche kann beispielsweise die Oberfläche eines Tisches sein, der optional verstellbar sein kann. Das Detektionsobjektiv befindet sich in einem Detektionsstrahlengang, dessen optische Achse im Wesentlichen senkrecht auf das erzeugte Lichtblatt gerichtet ist. Die optischen Achsen von Beleuchtungsobjektiv und Detektionsobjektiv sind vorteilhaft im Wesentlichen orthogonal zueinander gerichtet, wobei Abweichungen bis zu ± 15°, insbesondere bis zu 10°, vorzugsweise bis zu 2° eingeschlossen sind und als im Wesentlichen orthogonal verstanden werden.
Die im Wesentlichen orthogonale Sicht des Detektionsobjektivs auf das Lichtblatt wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die optische Achse des Beleuchtungsobjektivs und das Lichtblatt in einer Ebene liegen, die mit der Normalen der ebenen Bezugsfläche, hinsichtlich welcher der Objektträger ausgerichtet ist, einen von Null verschiedenen Beleuchtungswinkel einschließt, und die optische Achse des Detektionsobjektivs mit der Normalen der Bezugsfläche einen von Null verschiedenen Detektionswinkel einschließt.
Dem Beleuchtungsobjektiv kann stromaufwärts zusätzlich eine Lichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle, ein Scanner und/oder eine Vorrichtung zur Strahlformung vorgeordnet sein.
Das Trennschichtsystem weist mindestens eine Schicht aus einem vorgegebenen Material mit vorgegebener Dicke auf, welches das Medium von dem Beleuchtungsobjektiv und dem Detektionsobjektiv trennt. Das Trennschichtsystem steht mit einer parallel zur Bezugsfläche ausgerichteten Grundfläche zumindest in dem für das Beleuchtungsobjektiv und das Detektionsobjektiv für Beleuchtung beziehungsweise Detektion zugänglichen Bereich mit dem Medium in Kontakt. Der Begriff des zugänglichen Bereichs bezieht sich dabei auf einen Abschnitt des Trennschichtsystems, insbesondere umfassend einen Objektträger, der von einer Beleuchtungsstrahlung der Beleuchtungsoptik beziehungsweise von einer Detektionsstrahlung der Detektionsoptik durchdrungen wird, beziehungsweise durchdrungen werden kann.
In dem Strahlengang des Detektionsobjektivs (Detektionsstrahlengang) sind ein erstes adaptives optisches Detektionskorrekturelement und mindestens ein weiteres adaptives optisches Detektionskorrekturelement angeordnet oder diese können in den Detektionsstrahlengang eingebracht, beispielsweise eingeschoben oder eingeschwenkt, werden. Zusätzlich können im Strahlengang des Beleuchtungsobjektivs (Beleuchtungsstrahlengang) ein erstes adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement und optional mindestens ein weiteres adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement angeordnet oder diese können in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht, beispielsweise eingeschoben oder eingeschwenkt, werden. Dabei können insbesondere mittels der vorhandenen Detektionskorrekturelemente und/oder mittels der vorhandenen Beleuchtungskorrekturelemente Aberrationen verringert werden, die aufgrund des schrägen Durchtritts von zu detektierendem Licht beziehungsweise von Licht zur Beleuchtung der Probe durch Grenzflächen eines vorhandenen Trennschichtsystems entstehen.
Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Anordnung durch eine Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des ersten und des weiteren Detektionskorrekturelements. In weiteren Ausführungen ist eine Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des ersten und gegebenenfalls des weiteren Beleuchtungskorrekturelements vorhanden. Vorteilhaft weist die Verstelleinrichtung steuerbare Antriebe auf, die insbesondere elektrisch betrieben sind.
Außerdem ist eine Steuereinheit vorhanden, die dazu konfiguriert ist, um anhand wenigstens einer der nachfolgende genannten Informationen Steuerbefehle zu generieren und mittels der Steuerbefehle die Antriebe anzusteuern, so dass Aberrationen reduziert werden. Die Informationen können sein: eine aktuellen Stellung des ersten Detektionskorrekturelements und/oder des ersten Beleuchtungskorrekturelements; eine aktuelle Stellung des weiteren Detektionskorrekturelements und/oder des weiteren Beleuchtungskorrekturelements; der aktuelle Brechungsindex eines verwendeten Immersionsmittels; der aktuelle Brechungsindex einer abzubildenden Probe und der aktuelle Brechungsindex des Mediums.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des weiteren Detektionskorrekturelements und/oder eine Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des weiteren Beleuchtungskorrekturelements vorhanden. Auch diese Verstelleinrichtungen sind mittels der Steuereinheit ansteuerbar.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass variabel einstellbare Korrekturelemente, insbesondere in Verbindung mit einem Objektiv, eine im Wesentlichen beugungsbegrenzte multispektrale Abbildung für numerische Aperturen ≥ 0,95 für einen sehr weiten Bereich von Immersionsbrechzahlen (Δn ≥ 0,1, insbesondere in einem Bereich von n = 1,33 bis 1,54) ermöglichen, ohne dass hierfür optische Elemente gewechselt werden müssen. Der gesamte Applikationsbereich in den Bereichen Live Cell Imaging und Fixed Cell Imaging kann mit einer erfindungsgemäßen Anordnung abgedeckt werden. Zur Korrektur entstehender Wellenfrontänderungen werden lediglich einstellbare innere Freiheitsgrade des Systems als Kompensatoren verwendet.
Änderung der Probenbrechzahl und Änderungen der Dicke des Objektträgers verursachen grundsätzlich ähnliche Abbildungsfehler. Aber die mindestens zwei, vorzugsweise sind genau zwei vorhanden, voneinander unabhängig einstellbaren Wellenfrontmanipulatoren oder Korrekturelemente erlauben vorteilhaft, die im Detail in den höheren Ordnungen voneinander abweichenden Spektren der Zernike-Koeffizienten der auftretenden Wellenfrontfehler zu reduzieren. Obwohl also eine Änderung der Brechzahl in der Probe, dem Medium und dem Immersionsmedium sowie eine Änderung der Dicke des Objektträgers gleichermaßen als führende nichtrotationssymmetrische Wellenfrontfehler feldunabhängige Koma und Astigmatismus hervorrufen, unterscheiden sich jedoch für die beiden Abbildungsfehler im Detail die Anteile in den höheren Ordnungen, die mit nur einem Wellenfrontmanipulator nicht korrigiert werden können.
Die Korrekturelemente sind vorteilhaft Wellenfrontmanipulatoren in Form jeweils zweier einander angepasster Alvarezplatten. Letztere fallen auch unter den nachfolgend verwendeten Begriff der Freiformelemente. Jedes der Korrekturelemente ist also aus einem Paar in einer Stellrichtung zueinander und im Wesentlichen senkrecht zu einer optischen Achse beweglicher optischer Elemente gebildet. Die Stellrichtungen der Korrekturelemente können parallel zueinander sein, wodurch ein geringer Bauraum ausreicht. In weiteren Ausführungen der Erfindung können die Stellrichtungen des ersten und des weiteren Detektionskorrekturelements und/oder die die Stellrichtungen des ersten und des weiteren Beleuchtungskorrekturelements nicht parallel zueinander sein. In einer solchen Ausführung sind die konstruktiven Freiheiten für die Anordnung größer und es können, je nach Gestaltung der Korrekturelemente, zusätzliche und/oder alternative Kombinationen der Einstellungen und optischen Wirkungen der Korrekturelemente zu Verfügung gestellt werden.
Weiterhin entstehen durch die Änderung der Probenbrechzahl auch rotationssymmetrische Fehler, wie zum Beispiel sphärische Aberration, feldabhängige Koma und feldabhängiger Astigmatismus. Diese rotationssymmetrischen Wellenfrontfehler können mittels einstellbarer Lufträume zwischen den optischen Elementen insbesondere des Detektionsobjektivs korrigiert werden.
In einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist daher eine entlang der jeweiligen optischen Achse des Detektionsobjektivs gesteuert verschiebbare optische Linse und ein Antrieb zu deren gesteuerten Bewegung vorhanden. Der Antrieb kann wie oben beschrieben manuell betätigt werden. Zur präzisen Einstellung, einer hohen Wiederholgenauigkeit und einer komfortablen Bedienung ist der Antrieb aber mittels der Steuereinheit ansteuerbar. Grundsätzlich kann eine solche verschiebbare optische Linse auch in einem Beleuchtungsobjektiv vorhanden sein. Die Baulänge des betreffenden Objektivs bleibt trotz eines Verschiebens der optischen Linse vorzugsweise konstant, so dass kein zusätzlicher Bauraum in Richtung der optischen Achse benötigt wird.
Um die brechungsbedingten Abbildungsfehler zu reduzieren, werden vorhandene Luftpalte zwischen den Objektiven und dem Objektträger beziehungsweise dem Medium mit einem Immersionsmedium gefüllt werden. Das Beleuchtungsobjektiv und/oder das Detektionsobjektiv sind in bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung Immersionsobjektive.
Um ein Immersionsmedium gezielt insbesondere zwischen eine jeweilige Frontlinse der Objektive und den Objektträger zu leiten und gegebenenfalls auch zu erneuern oder gegen ein Immersionsmedium mit einer anderen Brechzahl auszutauschen, kann in einer vorteilhaften Ausführung der Anordnung eine Zuführungsvorrichtung vorhanden sein. Diese ist neben der Möglichkeit der Zuführung und gegebenenfalls der Abführung beziehungsweise des Austauschs des Immersionsmediums dazu eingerichtet, Informationen des aktuellen Brechungsindex eines verwendeten Immersionsmittels an die Steuereinheit zu übermitteln.
In weiteren Ausführungen der Erfindung kann zwischen den Freiformelementen der Korrekturelemente ein Immersionsmedium vorhanden sein oder eingebracht werden, welches sich üblicherweise von dem vor der Frontlinse vorhandenen Immersionsmedium hinsichtlich seiner optischen Eigenschaften unterscheidet. Dadurch ist es möglich, eine vorgegebene Wellenlängenabhängigkeit der Wellenfrontänderung durch den betreffenden Wellenfrontmanipulator einzustellen. Insbesondere kann diese Wirkung achromatisch sein. Versuchsergebnisse der erfindungsgemäßen Anordnung und der erfindungsgemäßen Objektive zeigen jedoch, dass eine ausreichend chromatisch stabile Bildfehlerkompensation auch mit Luft zwischen den Freiformelementen erzielt werden kann.
Der große Korrekturbereich der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht die Nutzung der Lichtblattmikroskopie für Proben unterschiedlicher Brechzahlen, die in verschiedene brechzahlangepasste Medien beziehungsweise Immersionsmedien wie Wasser, Glycerin, Silikonöl oder hochbrechendes Immersionsöl eingebettet beziehungsweise unter deren Verwendung optisch kontaktiert sind. Das die Probe umgebende Medium und ein verwendetes Immersionsmedium besitzen in der Regel gleiche Brechzahlen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann sowohl mit einem Beleuchtungsobjektiv als auch mit einem Detektionsobjektiv ausgestattet sein. Die Erfindung umfasst daher auch ein Beleuchtungsobjektiv und ein Detektionsobjektiv, die jeweils für eine Verwendung in einer erfindungsgemäßen Anordnung ausgebildet sind.
Dabei umfasst ein Beleuchtungsobjektiv zur Beleuchtung einer Probe in seinem Strahlengang optische Elemente, zum Beispiel optische Linsen und das im Strahlengang angeordnete oder in diesen einbringbare erste adaptive optische Beleuchtungskorrekturelement sowie optional das weitere adaptive optische Beleuchtungskorrekturelement. Mit den Beleuchtungskorrekturelementen können Aberrationen, die aufgrund eines schrägen Durchtritts von Licht zur Beleuchtung der Probe durch Grenzflächen eines zwischen dem Beleuchtungsobjektiv und der Probe befindlichen Trennschichtsystems entstehen, verringert werden. Gekennzeichnet ist das Beleuchtungsobjektiv dadurch, dass das erste Beleuchtungskorrekturelement mit der Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des ersten Beleuchtungskorrekturelements verbunden ist oder mit einer solchen Verstelleinrichtung verbunden werden kann. Das weitere Beleuchtungskorrekturelement ist mit der Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des weiteren Beleuchtungskorrekturelements verbunden oder kann mit einer solchen Verstelleinrichtung verbunden werden. Die Korrekturelemente können zwar hinsichtlich ihrer optischen Wirkung aufeinander abgestimmt eingestellt werden, sind aber grundsätzlich voneinander unabhängig einstellbar. In alternativen Ausführungen weist das Beleuchtungsobjektiv lediglich eine statische Phasenplatte auf.
Die bezüglich der Abbildungsgüte kritische Komponente in einem SPIM-System ist das hochaperturige Detektionsobjektiv, da dieses die erreichbare Auflösung begrenzt und wegen der hohen Numerischen Apertur besonders sensitiv auf Störungen der Parameter der von den Lichtbündeln durchlaufenen Trennschichten reagiert. Ein ebenfalls zur Erfindung gehörendes Detektionsobjektiv dient zur Erfassung von Detektionslicht einer Probe und umfasst in seinem Strahlengang optische Elemente beispielsweise optische Linsen. Außerdem sind das im Strahlengang angeordnete oder in diesen einbringbare erste adaptive optische Detektionskorrekturelement und das weitere adaptive optische Detektionskorrekturelement vorhanden. Die technische Wirkung der Detektionskorrekturelemente besteht in der Reduzierung von Aberrationen, die aufgrund eines schrägen Durchtritts von Detektionslicht der Probe durch Grenzflächen eines zwischen dem Detektionsobjektiv und der Probe befindlichen Trennschichtsystems entstehen.
Erfindungsgemäß gekennzeichnet ist das Detektionsobjektiv dadurch, dass das erste Detektionskorrekturelement mit der Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des ersten Detektionskorrekturelements verbunden ist oder mit einer solchen Verstelleinrichtung verbunden werden kann. Das weitere Detektionskorrekturelement ist mit der Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des weiteren Detektionskorrekturelements verbunden oder kann mit einer solchen Verstelleinrichtung verbunden werden.
Sowohl das Beleuchtungsobjektiv als auch das Detektionsobjektiv weisen Schnittstellen auf, an denen eine mechanische und/oder elektrische Energie auf das zu verstellende Element, also das betreffende erste oder weitere Beleuchtungskorrekturelement beziehungsweise das erste oder weitere Detektionskorrekturelement übertragen wird beziehungsweise übertragen werden kann.
Die Verstelleinrichtungen, beispielsweise motorische Antriebe, können in oder an dem Beleuchtungsobjektiv beziehungsweise Detektionsobjektiv vorhanden sein und beispielsweise in ein Gehäuse der jeweiligen Objektive integriert sein.
Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Objektivs soll beispielhaft anhand einer Ausführungsmöglichkeit des Detektionsobjektivs (Abbildungsobjektiv) erläutert werden. Die technischen Elemente und deren optischen Wirkungen können entsprechend auch in einem Beleuchtungsobjektiv vorhanden und umgesetzt sein.
Ein erfindungsgemäßes Detektionsobjektiv besitzt eine erste Linsengruppe. Die von der Probe ausgehenden und nach Durchtritt durch das Trennschichtensystem mit den Störeinflüssen des Trennschichtensystems und den gegebenenfalls weiteren Störeinflüssen durch z. B. das Immersionsmedium beaufschlagten Wellenfronten werden mittels der ersten Linsengruppe näherungsweise nach Unendlich abgebildet und ein Abschnitt des Detektionsstrahlengangs mit näherungsweise kollimierter Detektionsstrahlung (kollimierter Strahlengang) erzeugt.
Hinter der ersten Linsengruppe ist eine Aperturblende im kollimierten Strahlengang angeordnet. Die Aperturblende wird von der ersten Linsengruppe in den Objektraum (Probenraum) nach Unendlich abgebildet, sodass probenseitig (objektseitig) näherungsweise ein telezentrischer Strahlengang besteht.
Nach der Aperturblende sind die mindestens zwei Korrekturelemente, insbesondere in Form von Wellenfrontmanipulatoren mit jeweils zwei im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Detektionsobjektivs zueinander beweglichen Freiformelementen, im kollimierten Strahlengang angeordnet. Durch Wirkung der entsprechend eingestellten Korrekturelemente werden Abbildungsfehler der Wellenfronten reduziert, indem den Wellenfronten gleich große, aber entgegengesetzte Fehler desselben Typs aufgeprägt werden. Die Freiformelemente können jeweils auf einer ihrer Seiten, insbesondere auf den nach außen gerichteten, also einander abgewandten, Seitenflächen, plan ausgeführt sein.
In weiteren Ausführungen können beide Seitenflächen der Freiformelemente eine Freiform-Oberfläche aufweisen. So kann eine symmetrische Aufteilung der Höhendifferenzen („Pfeilhöhen“) auf die Flächenprofile von Vorder- und Rückseite eines Freiformelements bewirken, dass die Profiltiefe auf jeder Seitenfläche ausreichend gering bleiben. So wird zum Beispiel eine photolithographische Herstellung der Freiformelemente erleichtert.
Es ist außerdem möglich, dass die Freiformelemente der Wellenfrontmanipulatoren aus Materialien bestehen oder solche Materialien umfassen, die eine vorgegebene anormale Teildispersion, also eine Abweichung der Brechzahldispersion von der Normalgeraden, aufweisen, wie beispielsweise Langkrongläser oder Kurzflintgläser. Dadurch lassen sich sekundäre chromatische Aberrationen gezielt einstellen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann mit Immersionsmedien zwischen den Freiformelementen, versehen werden, die einen von der Normalgeraden abweichenden Dispersionsverlauf aufweisen, wodurch sich ebenfalls gezielt sekundäre chromatische Aberrationen einstellen. Durch eine Kombination geeigneter Medien und/oder Gläser mit anormaler Teildispersion zwischen den Freiformelementen können auch tertiäre chromatische Aberrationen eingestellt werden.
Eine vorhandene zweite Linsengruppe bildet die korrigierten Wellenfronten auf einen Detektor oder in eine Zwischenbildebene ab. Erste und zweite Linsengruppe bilden funktionell ein Grundobjektiv beispielsweise eines Mikroskops. Optional kann innerhalb der zweiten Linsengruppe mindestens eine entlang der optischen Achse gesteuert verschiebbare optische Linse vorhanden sein. Alternativ kann eine Anzahl einstellbarer Lufträume gegeben sein, d.h. der Abstand mindestens zweier optischer Linsen zueinander kann eingestellt werden.
Ebenfalls optional kann mindestens eine weitere Linsengruppe vorhanden sein, die als Tubuslinsensystem wirkt oder beispielsweise als eine Adapteroptik für eine anzuschließende Kamera fungiert.
Die zweite Linsengruppe kann näherungsweise afokal ausgebildet sein, um verschiedene Grundobjektive und verschiedene Mikroskop-Tubussysteme frei miteinander kombinieren zu können („Unendlichschnittstelle“). In diesem Fall ist nach der zweiten Linsengruppe noch eine dritte Linsengruppe (Tubuslinsengruppe) vorgesehen, die zusammen mit der ersten und zweiten Linsengruppe ein reelles Zwischenbild erzeugt, das entweder vergrößert betrachtet werden oder von einem Detektor aufgenommen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsmöglichkeit kann neben den sphärischen Linsen mindestens eine weitere rotationsasphärische Linse in der Nähe der Aperturblende angeordnet sein. Der Einsatz von mindestens einer Asphäre ist insbesondere vorteilhaft bei Objektiven höchster Apertur beziehungsweise großer Aperturwinkel und unterstützt eine Korrektur des üblichen Öffnungsfehlers (sphärische Aberration). In konkreten Ausführungen der Erfindung erweist sich die Verwendung asphärischer Linsen in vielen Fällen als entbehrlich. Es wird auch ohne solche Asphären eine ausreichend hohe Bildgüte erzielt, die sich beispielsweise durch Strehl-Werte über 90% ausdrücken lässt.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann Bestandteil eines Mikroskops sein. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Mikroskop mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird zudem mit einem Verfahren zur Reduzierung von Aberrationen einer Anordnung zur Mikroskopie, insbesondere zur Lichtblattmikroskopie, gelöst. Das Verfahren umfasst den Schritt des Anordnens einer in einem Medium befindlichen Probe auf einem Objektträger, wobei der Objektträger hinsichtlich einer ebenen Bezugsfläche ausgerichtet ist und der Objektträger Teil eines Trennschichtsystems ist, das eine parallel zur Bezugsfläche ausgerichteten Grundfläche aufweist, die zumindest in einem für ein Beleuchtungsobjektiv und ein Detektionsobjektiv für eine Beleuchtung beziehungsweise eine Detektion zugänglichen Bereich mit dem Medium in Kontakt steht. Weiterhin ist der Schritt des Beleuchtens der Probe durch das Trennschichtsystem hindurch über einen Beleuchtungsstrahlengang mit einer definierten Lichtintensitätsverteilung, insbesondere mit einem Lichtblatt, unter Verwendung eines Beleuchtungsobjektivs Teil des Verfahrens. Es folgt ein Erfassen von Detektionsstrahlung der Probe durch das Trennschichtsystem hindurch mittels eines Detektionsobjektivs in einem Detektionsstrahlengang, wobei die optische Achse des Detektionsobjektivs im Wesentlichen orthogonal zur optischen Achse des Beleuchtungsobjektivs gerichtet wird und das Detektionsobjektiv ein im Strahlengang angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Detektionskorrekturelement und ein weiteres adaptives optisches Detektionskorrekturelement umfasst.
Aufgrund des schrägen Durchtritts von zu detektierendem Licht beziehungsweise von Licht zur Beleuchtung der Probe durch Grenzflächen des Trennschichtsystems entstehen Aberrationen. Diese werden reduziert, indem anhand von Informationen zu

■ der aktuellen Stellung des ersten Detektionskorrekturelements und/oder des ersten Beleuchtungskorrekturelements,
■ der aktuellen Stellung des weiteren Detektionskorrekturelements und/oder des weiteren Beleuchtungskorrekturelements,
■ dem aktuellen Brechungsindex eines verwendeten Immersionsmittels und/oder
■ dem aktuellen Brechungsindex der abzubildenden Probe und/oder
■ dem aktuellen Brechungsindex des Mediums,

Steuerbefehle generiert werden. Die Steuerbefehle können einem Nutzer zur Ausführung übermittelt werden und/oder zur Ansteuerung der Verstelleinrichtung genutzt werden. Zur Auswertung der Informationen und dem Generieren der Steuerbefehle wird vorteilhaft eine entsprechend konfigurierte Steuereinheit verwendet, die beispielsweise durch einen Rechner realisiert ist.
Die Steuerbefehle können anhand vorhandener Datensammlungen (z. B. look-up-Tabellen) generiert werden, indem die aktuell vorliegenden Informationen mit den Datensammlungen abgeglichen und entsprechende Steuerbefehle generiert werden.
Für jedes erfindungsgemäß ausgelegte Objektiv können die Stellbewegungen für verschiedene Kombinationen aus Brechzahlen und Deckglasdicke vorab im Optikdesignprogramm berechnet und diese Werte beispielsweise als look-up-Tabelle in einem programmierbaren Speicher der Steuereinheit abgelegt werden. In der Praxis müssten dazu die vorliegenden Brechzahlen und die jeweilige Deckglasdicke bekannt sein, um daraus die Stellwege ableiten zu können.
In weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens können beispielsweise Bilddaten und deren Bildgüte als Regelgrößen hinzugezogen werden. So können beispielsweise im Sinne einer feedback-Regelung die oben genannten Informationen und die Bilddaten beziehungsweise deren Qualität miteinander in Beziehung gesetzt und wiederholt abgeglichen werden. Dazu können mittels des Detektionsobjektivs erfasste Bilddaten hinsichtlich vorgegebener Bildgütekriterien ausgewertet und die Ergebnisse der Auswertungen der Steuereinheit übermittelt werden. Die Steuerbefehle der Steuereinheit werden unter Berücksichtigung der Auswerteergebnisse generiert. Die Auswertung der erfassten Bilddaten kann mittels einer dafür konfigurierten Untereinheit der Steuereinheit 13 erfolgen.
Es ist beispielsweise möglich in den Bilddaten beziehungsweise in einem erfassten Bild einen geeigneten Bereich aufzusuchen, an der sich ein geeignetes Bildgütekriterium ableiten lässt. So kann zum Beispiel eine „Kantensteilheit“ einer abgebildeten Objektstruktur, eine Halbwertsbreite einer im Objekt als punkt- oder linienförmig angenommenen Struktur im Bild, oder allgemein ein Bildkontrast bestimmt werden. Aus einzelnen versuchsweisen Stellbewegungen resultierende Änderungen können detektiert und daraus in linearer Näherung eine zusammengesetzte Stellbewegung ermitteln werden. Anschließend können iterativ mit einem geeigneten Gradientenabstiegsverfahren die optimalen Aktor-Stellwege ermittelt werden.
Vorteile der Erfindung liegen in der breiten Anwendbarkeit insbesondere für die Lichtblattmikroskopie. Dabei müssen keine optischen Elemente wie zum Beispiel Objektive ausgetauscht werden, wenn sich die optischen Bedingungen der Bilderfassung zwischen verschiedenen Proben und/oder über einen Zeitraum deutlich ändern und zum Beispiel Brechzahlen in einem Bereich von n=1,33 bis 1,54 aufweisen können. Eine beugungsbegrenzte Abbildung ist mit der Erfindung zum Beispiel für Numerische Aperturen von ≥ 0,95 bis ≥ 1,1 möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtblattmikroskopie als Bestandteil eines Mikroskops;
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Lichtblattmikroskopie als Bestandteil eines Mikroskops mit einer Zuführungsvorrichtung zur Zuführung von Immersionsmedien;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungsobjektiv;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Detektionsobjektiv;
5 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung mit dem erfindungsgemäßen Detektionsobjektiv in einem Betriebszustand mit transversal verstellten Korrekturelementen; und
6 eine Tabelle mit beispielhaft zu realisierenden Stellwegen und axialen Ausdehnungen von variablen Lufträumen in einem erfindungsgemäßen Detektionsobjektiv in Abhängigkeit unterschiedlicher Brechzahlen und Deckglasdicken.

In den nachfolgenden schematischen Darstellungen von Beispielen aus dem Stand der Technik und von Ausführungsbeispielen der Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente. Linsengruppen 9.1, 9.2 beziehungsweise optische Linsen 9.11 bis 9.22 sind schematisch mit einheitlichen bikonvexen Linsenformen dargestellt, unabhängig von ihrer tatsächlichen Formgebung.
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung als Bestandteile eines inversen Mikroskops 1 gezeigt, das ein Beleuchtungsobjektiv 2 und ein Detektionsobjektiv 3 aufweist. Mittels des Beleuchtungsobjektivs 2 und einer Beleuchtungsstrahlung BS ist entlang einer ersten optischen Achse A1 ein Lichtblatt 6 erzeugt oder erzeugbar, das zur Untersuchung einer in einer Probenebene 4 angeordneten Probe 5 nutzbar ist. Das Detektionsobjektiv 3 weist eine zweite optische Achse A2 auf, entlang der von der Probenebene 4 kommendes Detektionslicht DS auf einen Detektor 18 gerichtet und durch diesen erfassbar ist. Die erste optische Achse A1 und die zweite optische Achse A2 sind zueinander orthogonal ausgerichtet und schließen jeweils mit der Probenebene 4, die als Bezugsebene dient, einen Winkel von 45° ein. Die Probe 5 ist in einer auf einem Probentisch 11 befindlichen Probenhalterung als Objektträger 7 angeordnet, die mit einer Flüssigkeit als ein die Probe 5 umgebendes Medium 8 gefüllt ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Beleuchtungsobjektiv 2 mit einem ersten Beleuchtungskorrekturelement 12.1 ausgestattet. Das Detektionsobjektiv 3 ist einem ersten Detektionskorrekturelement 12.1 und einem weiteren Detektionskorrekturelement 12.2 versehen. Nachfolgend wird auch von einem ersten und einem weiteren Korrekturelement 12.1, 12.2 gesprochen, wenn die konkrete Zuordnung zu dem Beleuchtungsobjektiv 2 beziehungsweise dem Detektionsobjektiv 3 technisch nicht von Belang ist.
Die ersten Korrekturelemente 12.1 und das weitere Korrekturelemente 12.2 dienen der Korrektur von Aberrationen, die aufgrund des schrägen Durchgangs der Beleuchtungsstrahlung BS durch den Boden des Objektträgers 7 auftreten können.
Jedes der Korrekturelemente 12.1, 12.2 ist mit einer Verstelleinrichtung 14 in Form je eines motorischen Antriebs verbunden, die mittels einer Steuereinheit 13 ansteuerbar sind (nur angedeutet gezeigt). Die Verstelleinrichtung 14 können elektrische Antriebe oder piezoelektrische Antriebe sein.
Optional kann eines oder jedes der Objektive 2, 3 eine weitere Verstelleinrichtung 19 aufweisen, mittels der eine verschiebbare optische Linse 9.22 entlang der zweiten optischen Achse A2 gesteuert verschoben werden kann (siehe 4 und 5).
Der Objektträger 7 ist optional auf einem Probentisch 11 gehalten. Der Probentisch 11 selbst ist mittels nicht näher dargestellter Antriebe gesteuert verstellbar.
Die Beleuchtungsstrahlung BS wird durch ein Lasermodul 15 bereitgestellt und mittels einer Strahlformungseinheit 16 geformt. Die Strahlformungseinheit 16 ist beispielsweise eine Optik, mittels der die bereitgestellte Beleuchtungsstrahlung BS beispielsweise kollimiert wird. Die Strahlformungseinheit 16 kann in weiteren Ausführungen eine Zylinderoptik umfassen, durch deren Wirkung die Beleuchtungsstrahlung BS in einer Richtung quer zur ersten optischen Achse A1 gestaucht wird. Der Strahlformungseinheit 16 nachgeordnet ist ein Scanner 17 vorhanden, mittels dem die geformte Beleuchtungsstrahlung BS gesteuert in zwei Richtungen quer zur ersten optischen Achse A1 ablenkbar ist (sogenannter X-Y-Scanner). Die von dem Scanner 17 gelangt die abgelenkte Beleuchtungsstrahlung BS gelangt zu dem Beleuchtungsobjektiv 2 und wird durch dieses geformt und/oder fokussiert.
Zur Ansteuerung der optional vorhandenen Verstelleinrichtung 10 der verschiebbaren optischen Linse 9.1, des Probentischs 11, der Verstelleinrichtungen 14, des Lasermoduls 15, der Strahlformung 16, des Scanners 17 und/oder des Detektors 18 ist die Steuereinheit 13 vorhanden, die mit den anzusteuernden Elementen in einer zur Datenübertragung geeigneten Verbindung steht.
In weiteren Ausführungen ist die Steuereinheit 13 zusätzlich zur Erfassung, Speicherung und/oder zur Auswertung von Messwerten konfiguriert. Mittels der Steuereinheit 13 können weitere Elemente sowie Einheiten des Mikroskops 1 ansteuerbar sein und/oder Messwerte von diesen erhalten und ausgewertet werden.
Um zwischen eine Frontlinse 9.11 der ersten Linsengruppe 9.1 (siehe 3, 4, 5) und den Objektträger 7 ein Immersionsmedium zuführen zu können, ist gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung eine Zuführungsvorrichtung (20) zur Zuführung von Immersionsmedien vorhanden (2). Diese ist ebenfalls mit der Steuereinheit 13 verbunden und tauscht mit dieser Informationen beispielsweise über einen Brechungsindex des aktuell der Anordnung zugeführten Immersionsmediums (mit einer punktierten Fläche symbolisiert) aus.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Beleuchtungsobjektiv 2 ist schematisch in 3 im Sinne eines Schnitts durch das Beleuchtungsobjektiv 2, gezeigt. Entlang der ersten optischen Achse A1 des Beleuchtungsobjektivs 2 sind optische Linsen 9.1 bis 9.21 ortsfest angeordnet. Außerdem ist das erste Korrekturelement 12.1 entlang der ersten optischen Achse A1 angeordnet.
Der Probe 5 zugewandt ist eine erste Linsengruppe 9.1, die im Ausführungsbeispiel beispielhaft durch die Frontlinse 9.11 und die optische Linse 9.12 gebildet ist. Die Linse 9.12 ist optional als rotationsasphärische Linse 9.12 ausgebildet.
Der Probe 5 (siehe 1) abgewandt ist eine zweite Linsengruppe 9.2 mit den optischen Linsen 9.21 vorhanden. Zwischen erster Linsengruppe 9.1 und dem Korrekturelement 12.1 ist eine Aperturblende 10 im Strahlengang angeordnet.
Im Ausführungsbeispiel ist das Korrekturelement 12.1 durch zwei Alvarezplatten gebildet. Diese können jeweils mit einer der Verstelleinrichtungen 14 relativ zueinander voneinander in einer Stellrichtung verstellt werden. Die Stellrichtung (mit Doppelpfeilen symbolisiert) ist im Wesentlichen quer zur optischen Achse A1 gerichtet. Mittels der Steuerbefehle der Steuereinheit 13 ist die Verstelleinrichtung 14 ansteuerbar.
In der 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Detektionsobjektiv 3 gezeigt. Entlang der zweiten optischen Achse A2 des Detektionsobjektivs 3 sind die erste Linsengruppe 9.1 mit der optional rotationsasphärischen Linse 9.12, die zweite Linsengruppe 9.2 sowie die Aperturblende 10 ortsfest angeordnet. Zusätzlich ist optional eine verschiebbare optische Linse 9.22 als Bestandteil der zweiten Linsengruppe 9.2 vorhanden, die mittels einer Verstelleinrichtung 19 gesteuert entlang der zweiten optischen Achse A2 verschoben werden kann. Außerdem sind das erste Korrekturelement 12.1 und das weitere Korrekturelement 12.2 entlang der optischen Achse A2 angeordnet. Die Korrekturelemente 12.1 und 12.2 sind wiederum jeweils durch zwei Alvarezplatten gebildet. Diese können jeweils mit einer der Verstelleinrichtungen 14 relativ zueinander und unabhängig voneinander in je einer Stellrichtung quer zur zweiten optischen Achse A2 verstellt werden. Mittels der Steuerbefehle der Steuereinheit 13 sind die Verstelleinrichtungen 14 und 19 ansteuerbar. Entsprechend kann in weiteren Ausführungen ein Beleuchtungsobjektiv 2 ausgebildet sein. Dabei kann auf die verschiebbare optische Linse 9.22 verzichtet sein.
In der dargestellten Ausführung der Anordnung ist außerdem ein Detektor 18 gezeigt, der mit der Steuereinheit 13 in einer für den Austausch von Daten geeigneten Weise verbunden ist. Die mittels des Detektors 18 erfassten Bilddaten können an die Steuereinheit 13 übermittelt und dort ausgewertet werden. Sind gewünschte Sollparameter, wie zum Beispiel vorgegebene Bildgütekriterien, nicht erfüllt, können mittels der Steuereinheit 13 Steuerbefehle generiert werden, deren Ausführung durch die angesteuerten Verstelleinrichtungen 14 und/oder 19 zu den gewünschten Abbildungsqualitäten führen. Die Regelung kann als eine feedback-Regelung realisiert sein.
Um auftretende Wellenfrontfehler zu kompensieren, werden die Korrekturelemente 12.1, 12.2 entsprechend eingestellt, wie dies in Anlehnung an 4 beispielhaft in 5 gezeigt ist. Die Alvarezplatten oder Freiformelemente der Korrekturelemente 12.1, 12.2 sind transversal zur optischen Achse A2 und symmetrisch entlang der jeweiligen Stellrichtung relativ zueinander und zum kollimierten Strahlengang verschoben. Lediglich symbolisch angegeben sind Stellwege s1 und s2 der jeweiligen Korrekturelemente 12.1, 12.2 sowie variable Luftabstände g1 und g2 in Richtung der Ausbreitung einer Detektionsstrahlung DS (siehe 1 und 2) entlang einer optischen Achse A2 des Detektionsobjektivs 3 vor (g1; g = gap) beziehungsweise hinter (g2) einer verschiebbaren optischen Linse 9.22.
Ein Ausführungsbeispiel für konkret ermittelte Stellwege s1 und s2 der jeweiligen Korrekturelemente 12.1, 12.2 sowie für variable Luftabstände g1 und g2 eines Detektionsobjektivs 3 ist in der 6 angegeben. Darin geben die Werte s1 und s2 die jeweiligen Verstellwege der Alvarezplatten des ersten Korrekturelements 12.1 beziehungsweise des zweiten Korrekturelements 12.2 an. Die beiden rechten Spalten enthalten die Werte s1, s2 sowie g1 und g2 für Objektträger 7 mit einer Dicke von 0,15 mm beziehungsweise 0,19 mm.
Bezugszeichenliste

1: Mikroskop
2: Beleuchtungsobjektiv
3: Detektionsobjektiv
4: Probenebene
5: Probe
6: Lichtblatt
7: Objektträger
8: Medium
9.1: erste Linsengruppe
9.11: Frontlinse
9.12: rotationsasphärische Linse
9.2: zweite Linsengruppe
9.21: optische Linse
9.22: verschiebbare optische Linse
10: Aperturblende
11: Probentisch
12.1: erstes Korrekturmittel
12.2: weiteres Korrekturmittel
13: Steuereinheit
14: Verstelleinrichtung
15: Lasermodul
16: Strahlformung
17: X-Y-Scanner
18: Detektor
19: Verstelleinrichtung (einer verschiebbaren optischen Linse 9)
20: Zuführungsvorrichtung
A1: erste optische Achse
A2: zweite optische Achse
BE: Bildebene
BS: Beleuchtungsstrahlung
DS: Detektionsstrahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016212019 A1 [0006]
DE 10201210162 B3 [0007]
WO 2015/1155027 A1 [0007]

Claims

Anordnung zur Lichtblattmikroskopie, umfassend - ein Beleuchtungsobjektiv (2) zur Beleuchtung einer auf einem Objektträger (7) in einem Medium (8) befindlichen Probe (5) über einen Beleuchtungsstrahlengang mit einem Lichtblatt (6), wobei der Objektträger (7) hinsichtlich einer ebenen Bezugsfläche ausgerichtet ist; - ein Detektionsobjektiv (3) in einem Detektionsstrahlengang, dessen optische Achse (A2) im Wesentlichen orthogonal auf das erzeugte Lichtblatt (6) gerichtet ist; - ein Trennschichtsystem mit mindestens einer Schicht aus einem vorgegebenen Material mit vorgegebener Dicke, welche das Medium (8) von dem Beleuchtungsobjektiv (2) und dem Detektionsobjektiv (3) trennt, wobei das Trennschichtsystem mit einer parallel zur Bezugsfläche ausgerichteten Grundfläche zumindest in dem für das Beleuchtungsobjektiv (2) und das Detektionsobjektiv (3) für Beleuchtung beziehungsweise Detektion zugänglichen Bereich mit dem Medium (8) in Kontakt steht; - sowie ein im Strahlengang des Detektionsobjektivs (3) angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.1) und ein weiteres adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.2) und / oder ein im Strahlengang des Beleuchtungsobjektivs (2) angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.1), wobei mittels der vorhandenen Detektionskorrekturelemente (12.1, 12.2) und/oder mittels des vorhandenen Beleuchtungskorrekturelements (12.1) Aberrationen, die aufgrund des schrägen Durchtritts von zu detektierendem Licht beziehungsweise von Licht zur Beleuchtung der Probe (5) durch Grenzflächen eines vorhandenen Trennschichtsystems entstehen, verringert werden, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des ersten Detektionskorrekturelements (12.1) und/oder eine Verstelleinrichtung zur gesteuerten Bewegung des ersten Beleuchtungskorrekturelements (12.1) vorhanden ist; - eine Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des weiteren Detektionskorrekturelements (12.2) vorhanden ist; - eine Steuereinheit (13) vorhanden ist, die konfiguriert ist, um anhand von Informationen zu o der aktuellen Stellung des ersten Detektionskorrekturelements (12.1) und/oder des ersten Beleuchtungskorrekturelements (12.1), o der aktuellen Stellung des weiteren Detektionskorrekturelements (12.2), o dem aktuellen Brechungsindex eines verwendeten Immersionsmittels und/oder o dem aktuellen Brechungsindex einer abzubildenden Probe (5) und/oder o dem aktuellen Brechungsindex des Mediums (8), Steuerbefehle zu generieren und mittels der Steuerbefehle die Verstelleinrichtungen (14) anzusteuern, so dass Aberrationen reduziert werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang der optischen Achse (A1, A2) des Detektionsobjektivs (3) gesteuert verschiebbare optische Linse (9.22) und eine Verstelleinrichtung (19) zu deren gesteuerten Bewegung vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsobjektiv (2) und/oder das Detektionsobjektiv (3) ein Immersionsobjektiv ist beziehungsweise Immersionsobjektive sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (A1) des Beleuchtungsobjektivs (2) und das Lichtblatt (6) in einer Ebene liegen, die mit der Normalen der ebenen Bezugsfläche, hinsichtlich welcher der Objektträger (7) ausgerichtet ist, einen von Null verschiedenen Beleuchtungswinkel einschließt, und die optische Achse (A2) des Detektionsobjektivs (3) mit der Normalen der Bezugsfläche einen von Null verschiedenen Detektionswinkel einschließt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Beleuchtungskorrekturelement (12.1) und/oder das erste und das weitere Detektionskorrekturelement (12.1, 12.2) jeweils aus einem Paar in einer Stellrichtung zueinander beweglicher optischer Elemente gebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellrichtungen des ersten und des weiteren Detektionskorrekturelements (12.1, 12.2) nicht parallel zueinander sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zuführungsvorrichtung (20) zum Zuführen eines Immersionsmediums vor eine Frontlinse (9.11) des Detektionsobjektivs (3) und/oder des Beleuchtungsobjektivs (2), wobei die Zuführungsvorrichtung (20) dazu eingerichtet ist, Informationen des aktuellen Brechungsindex eines zugeführten Immersionsmittels an die Steuereinheit (13) zu übermitteln.
Beleuchtungsobjektiv (2) zur Beleuchtung einer Probe (5), umfassend in seinem Strahlengang optische Elemente und ein im Strahlengang angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.1) und ein weiteres adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.2), mit welchen Aberrationen, die aufgrund eines schrägen Durchtritts von Licht zur Beleuchtung der Probe (5) durch Grenzflächen eines zwischen dem Beleuchtungsobjektiv (2) und der Probe (5) befindlichen Trennschichtsystems entstehen, verringert werden, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Beleuchtungskorrekturelement (12.1) mit einer Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des ersten Beleuchtungskorrekturelements (12.1) verbunden ist oder mit einer solchen Verstelleinrichtung (14) verbunden werden kann; - das weitere Beleuchtungskorrekturelement (12.2) mit einer Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des weiteren Beleuchtungskorrekturelements (12.2) verbunden ist oder mit einer solchen Verstelleinrichtung verbunden werden kann.
Detektionsobjektiv (3) zur Erfassung von Detektionsstrahlung einer Probe (5), umfassend in seinem Strahlengang optische Elemente und ein im Strahlengang angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.1) und ein weiteres adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.2), mit welchen Aberrationen, die aufgrund eines schrägen Durchtritts von Detektionslicht der Probe (5) durch Grenzflächen eines zwischen dem Detektionsobjektiv (3) und der Probe (5) befindlichen Trennschichtsystems entstehen, verringert werden, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Detektionskorrekturelement (12.1) mit einer Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des ersten Detektionskorrekturelements (12.1) verbunden ist oder mit einer solchen Verstelleinrichtung (14) verbunden werden kann; - das weitere Detektionskorrekturelement (12.2) mit einer Verstelleinrichtung (14) zur gesteuerten Bewegung des weiteren Detektionskorrekturelements (12.2) verbunden ist oder mit einer solchen Verstelleinrichtung (14) verbunden werden kann.
Detektionsobjektiv (3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zu erfassenden Probe (5) zugewandte erste Linsengruppe (9.1) vorhanden ist, durch deren Wirkung erfasste Detektionsstrahlung (DS) kollimiert wird und in dem Abschnitt des Strahlengangs mit der kollimierten Detektionsstrahlung (DS) eine Aperturblende (10) angeordnet ist, die von der ersten Linsengruppe (9.1) im Probenraum nach Unendlich abgebildet wird, so dass probenseitig ein telezentrischer Strahlengang bewirkt ist.
Detektionsobjektiv (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aperturblende (10) vorgeordnet eine rotationsasphärische Linse (9.12) im Strahlengang angeordnet ist.
Objektiv (2,3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine entlang der optischen Achse (A1, A2) des Detektionsobjektivs (3) und/oder des Beleuchtungsobjektivs (2) gesteuert verschiebbare optische Linse (9.22) und eine Verstelleinrichtung 19 zu deren gesteuerten Bewegung vorhanden sind.
Mikroskop (1) mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Reduzierung von Aberrationen einer Anordnung zur Mikroskopie, umfassend die Schritte: - Anordnen einer in einem Medium (8) befindlichen Probe (5) auf einem Objektträger (7), wobei der Objektträger (7) hinsichtlich einer ebenen Bezugsfläche ausgerichtet ist und der Objektträger (7) Teil eines Trennschichtsystems ist, das eine parallel zur Bezugsfläche ausgerichteten Grundfläche aufweist, die zumindest in einem für ein Beleuchtungsobjektiv (2) und ein Detektionsobjektiv (3) für eine Beleuchtung beziehungsweise eine Detektion zugänglichen Bereich mit dem Medium (8) in Kontakt steht, - Beleuchten der Probe (5) durch das Trennschichtsystem hindurch über einen Beleuchtungsstrahlengang mit einer definierten Lichtintensitätsverteilung, insbesondere mit einem Lichtblatt (6), unter Verwendung eines Beleuchtungsobjektivs (2), wobei das Beleuchtungsobjektiv (2) ein im Strahlengang angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.1) und optional ein weiteres adaptives optisches Beleuchtungskorrekturelement (12.2) umfasst; - Erfassen von Detektionsstrahlung (DS) der Probe (5) durch das Trennschichtsystem hindurch mittels eines Detektionsobjektivs (3) in einem Detektionsstrahlengang, wobei die optische Achse (A2) des Detektionsobjektivs (3) im Wesentlichen orthogonal zur optischen Achse (A1) des Beleuchtungsobjektivs (2) gerichtet wird und das Detektionsobjektiv (3) ein im Strahlengang angeordnetes oder in diesen einbringbares erstes adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.1) und ein weiteres adaptives optisches Detektionskorrekturelement (12.2) umfasst; - Reduzieren von Aberrationen, die aufgrund des schrägen Durchtritts von zu detektierendem Licht beziehungsweise von Licht zur Beleuchtung der Probe (5) durch Grenzflächen des Trennschichtsystems entstehen, indem anhand von Informationen zu o der aktuellen Stellung des ersten Detektionskorrekturelements (12.1) und/oder des ersten Beleuchtungskorrekturelements (12.1), o der aktuellen Stellung des weiteren Detektionskorrekturelements (12.2) und/oder des weiteren Beleuchtungskorrekturelements (12.2), o dem aktuellen Brechungsindex eines verwendeten Immersionsmittels und/oder o dem aktuellen Brechungsindex der abzubildenden Probe (5) und/oder o dem aktuellen Brechungsindex des Mediums (8), Steuerbefehle generiert und mittels der Steuerbefehle Verstelleinrichtungen (14) der Beleuchtungskorrekturelemente (12.1, 12.2) und/oder der Detektionskorrekturelemente (12.1, 12.2) angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Detektionsobjektivs (3) erfasste Bilddaten hinsichtlich vorgegebener Bildgütekriterien ausgewertet werden; die Ergebnisse der Auswertungen der Steuereinheit (13) übermittelt werden und die Steuerbefehle der Steuereinheit (13) unter Berücksichtigung der Auswerteergebnisse generiert werden.