DE102023104335B3 - Illumination module, microscope and procedure - Google Patents
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Images
Abstract
Beschrieben ist ein Beleuchtungsmodul (100, 200) für ein Mikroskop (550), umfassend eine Lichtquelle (102), die ausgebildet ist, Beleuchtungslicht (104) in einen Beleuchtungsstrahlengang (106) zu emittieren, ein fokussierendes optisches System (114), das in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) angeordnet und ausgebildet ist, das Beleuchtungslicht (104) in eine Probe (108) zu richten, eine Lichtblatterzeugungskomponente (116 120, 230, 232), die fokussierenden optischen System (114) in dem Beleuchtungsstrahlengang (106) vorgeordnet und ausgebildet ist, das Beleuchtungslicht (104) zumindest im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System (114) zur selektiven Lichtblattbeleuchtung einer Ebene der Probe zu einer lichtblattartigen Lichtverteilung (118) zu formen, und ein optisches Schaltelement (122), das zwischen einer ersten optischen Einstellung und mindestens einer zweiten optischen Einstellung umschaltbar ist. Das optische Schaltelement (122) ermöglicht in der ersten optischen Einstellung die selektive Lichtblattbeleuchtung der Ebene der Probe (108). Das optische Schaltelement (122) formt in der zweiten optischen Einstellung das Beleuchtungslicht (104) zumindest im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System (114) zu einer volumenartigen Lichtverteilung (128), die einen Volumenbereich der Probe (108) beleuchtet.Described is an illumination module (100, 200) for a microscope (550), comprising a light source (102) which is designed to emit illumination light (104) into an illumination beam path (106), a focusing optical system (114) which is arranged in the illumination beam path (106) and is designed to direct the illumination light (104) into a sample (108), a light sheet generation component (116, 120, 230, 232) which is arranged upstream of the focusing optical system (114) in the illumination beam path (106) and is designed to shape the illumination light (104) into a light sheet-like light distribution (118) at least in cooperation with the focusing optical system (114) for the selective light sheet illumination of a plane of the sample, and an optical switching element (122) which can be switched between a first optical setting and at least one second optical setting. In the first optical setting, the optical switching element (122) enables the selective light sheet illumination of the plane of the sample (108). In the second optical setting, the optical switching element (122) forms the illumination light (104), at least in cooperation with the focusing optical system (114), into a volume-like light distribution (128) that illuminates a volume region of the sample (108).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul für ein Mikroskop. Ferner betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit einem Beleuchtungsmodul sowie ein Verfahren zur Bildrekonstruktion unter Verwendung eines Mikroskops.The invention relates to an illumination module for a microscope. The invention further relates to a microscope with an illumination module and a method for image reconstruction using a microscope.
Hintergrundbackground
Aus dem Stand der Technik sind Mikroskopsysteme bekannt, die es ermöglichen, zwischen zwei Beleuchtungsmodi umzuschalten. In einem ersten Modus wird die Probe beispielsweise mit einer lichtblattartigen Lichtverteilung beleuchtet (im Folgenden auch einfach als Lichtblatt bezeichnet), sodass selektiv eine Ebene innerhalb der Probe mit dem Beleuchtungslicht beaufschlagt wird. Die beleuchtete Probenebene wird dann auf einen Detektor abgebildet, um eine zweidimensionale (2D) Schichtbildaufnahme zu generieren. Eine solche Schichtbildaufnahme kann sukzessive für verschiedene Probenebenen durchgeführt werden, um einen Stapel von Schichtbildern zu gewinnen. In einem zweiten Modus wird die Probe mit einer volumenartigen Lichtverteilung beaufschlagt, um einen ausgedehnten dreidimensionalen (3D) Volumenbereich der Probe zu beleuchten und abzubilden. Indem zwischen diesen beiden Beleuchtungsmodi gewechselt wird, kann zum Beispiel in der Fluoreszenzmikroskopie der zur Fluoreszenz angeregte Probenbereich variiert werden.Microscope systems are known from the prior art that make it possible to switch between two illumination modes. In a first mode, the sample is illuminated, for example, with a light sheet-like light distribution (hereinafter also referred to simply as a light sheet), so that a plane within the sample is selectively exposed to the illumination light. The illuminated sample plane is then imaged onto a detector to generate a two-dimensional (2D) tomographic image. Such a tomographic image can be successively carried out for different sample planes in order to obtain a stack of tomographic images. In a second mode, the sample is exposed to a volume-like light distribution in order to illuminate and image an extended three-dimensional (3D) volume area of the sample. By switching between these two illumination modes, the sample area excited to fluorescence can be varied, for example in fluorescence microscopy.
Bisher erfolgt das Umschalten zwischen einer 2D-Bildgebung und einer 3D-Bildgebung üblicherweise durch die Ansteuerung zweier getrennter Lichtquellen, deren Licht über einen dichroitischen Strahlteiler zu einem gemeinsamen Anregungspfad vereinigt wird. Dies hat den Nachteil, dass die beiden Aufnahmemodi mit unterschiedlichen Beleuchtungswellenlängen arbeiten müssen.To date, switching between 2D imaging and 3D imaging has usually been done by controlling two separate light sources, whose light is combined into a common excitation path via a dichroic beam splitter. This has the disadvantage that the two recording modes have to work with different illumination wavelengths.
Ein besonders leistungsfähiges Mikroskopieverfahren zur 3D-Bildgebung stellt die Lichtfeld-Mikroskopie dar, die es ermöglicht, schnell ablaufende biologische Prozesse über einen längeren Zeitraum in einem Volumen aufzuzeichnen. Dabei wird die 3D-Information aus dem beobachteten Volumen auf einen 2D-Kamerasensor abgebildet, um anschließend eine rechnerische Bildrekonstruktion vorzunehmen. Die Möglichkeit, ganze Probenvolumina mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Bildrate der Kamera ohne die Verwendung von beweglichen Teilen wie Galvanometerscanner durchzuführen, macht diese Technologie zu einem der schnellsten Mikroskopieverfahren.A particularly powerful microscopy method for 3D imaging is light field microscopy, which makes it possible to record rapidly occurring biological processes in a volume over a longer period of time. The 3D information from the observed volume is mapped onto a 2D camera sensor in order to then perform a computational image reconstruction. The ability to scan entire sample volumes at a speed corresponding to the frame rate of the camera without the use of moving parts such as galvanometer scanners makes this technology one of the fastest microscopy methods.
Nachteilig ist jedoch, dass die Rekonstruktion des 3D-Volumens aufgrund der Komplexität der in der Lichtfeld-Mikroskopie zu betrachtenden Punktspreizfunktion (PSF) äußerst rechenintensiv ist. So kommt in der Lichtfeld-Mikroskopie üblicherweise eine dem Detektor vorgeordnete Anordnung von Mikrolinsen zur Anwendung, sodass sich eine Vielzahl von einzelnen Punktspreizfunktionen ergibt, die in Summe eine komplexe Gesamt-PSF ergeben, die der Bildrekonstruktion zugrunde zu legen ist.The disadvantage, however, is that the reconstruction of the 3D volume is extremely computationally intensive due to the complexity of the point spread function (PSF) to be considered in light field microscopy. In light field microscopy, an arrangement of microlenses is usually used in front of the detector, resulting in a large number of individual point spread functions, which together result in a complex overall PSF that is used as the basis for image reconstruction.
In der Veröffentlichung
In der vorgenannten Veröffentlichung von Wagner et al. kommt ein System zum Einsatz, das im Grunde aus zwei Mikroskopen besteht. Bei dem Hauptmikroskop handelt es sich um ein Lichtfeldmikroskop, das auf einem Design basiert, wie es beispielsweise in der Veröffentlichung von
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Das Dokument
KurzdarstellungBrief description
Aufgabe der Erfindung ist es, ein für ein Mikroskop bestimmtes Beleuchtungsmodul anzugeben, das es ermöglicht, bei gleicher Beleuchtungswellenlänge schnell und flexibel den beleuchteten Probenbereich zu ändern.The object of the invention is to provide an illumination module for a microscope which makes it possible to quickly and flexibly change the illuminated sample area while maintaining the same illumination wavelength.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Beleuchtungsmodul gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung.This object is achieved by the lighting module according to claim 1. Advantageous further developments emerge from the dependent claims and the following description.
Ein Beleuchtungsmodul für ein Mikroskop umfasst eine Lichtquelle, die ausgebildet ist, Beleuchtungslicht in einen Beleuchtungsstrahlengang zu emittieren. Das Beleuchtungsmodul umfasst ein Objektiv, das in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet und ausgebildet ist, das Beleuchtungslicht in eine Probe zu richten. Das Beleuchtungsmodul enthält weiterhin eine Lichtblatterzeugungskomponente, die dem Objektiv in dem Beleuchtungsstrahlengang vorgeordnet und ausgebildet ist, das Beleuchtungslicht zumindest im Zusammenwirken mit dem Objektiv zur selektiven Lichtblattbeleuchtung einer Ebene der Probe zu einer lichtblattartigen Lichtverteilung zu formen. Das Beleuchtungsmodul weist ferner ein optisches Schaltelement auf, das zwischen einer ersten optischen Einstellung und mindestens einer zweiten optischen Einstellung umschaltbar ist. Das optische Schaltelement ermöglicht in der ersten optischen Einstellung die selektive Lichtblattbeleuchtung der Probenebene. In der zweiten optischen Einstellung formt das optische Schaltelement das Beleuchtungslicht zumindest im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System zu einer volumenartigen Lichtverteilung, die einen Volumenbereich der Probe beleuchtet.An illumination module for a microscope comprises a light source which is designed to emit illumination light into an illumination beam path. The illumination module comprises an objective which is arranged in the illumination beam path and designed to direct the illumination light into a sample. The illumination module further contains a light sheet generation component which is arranged upstream of the objective in the illumination beam path and is designed to shape the illumination light into a light sheet-like light distribution, at least in cooperation with the objective for selective light sheet illumination of a plane of the sample. The illumination module further comprises an optical switching element which can be switched between a first optical setting and at least one second optical setting. In the first optical setting, the optical switching element enables selective light sheet illumination of the sample plane. In the second optical setting, the optical switching element shapes the illumination light, at least in cooperation with the focusing optical system, into a volume-like light distribution which illuminates a volume region of the sample.
Es sei darauf hingewiesen, dass das optische Schaltelement ausgebildet und geeignet so ansteuerbar ist, dass eine lichtblattartige Lichtverteilung in einer Ebene der Probe auch dadurch erzeugt werden kann, dass die Lichtblatterzeugungskomponente das Beleuchtungslicht im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System und dem optischen Schaltelement zu einer lichtblattartigen Lichtverteilung zur Probenbeleuchtung formt. Das fokussierende optische System kann beispielsweise ein der Probe zugewandtes Objektiv sein. Es ist jedoch hierauf nicht beschränkt.It should be noted that the optical switching element is designed and suitably controllable in such a way that a light sheet-like light distribution in a plane of the sample can also be generated by the light sheet generating component shaping the illumination light in cooperation with the focusing optical system and the optical switching element into a light sheet-like light distribution for sample illumination. The focusing optical system can be, for example, an objective facing the sample. However, it is not limited to this.
Das Beleuchtungsmodul ermöglicht es, auf flexible Art und Weise zwischen einer 2D-Bildgebung auf Basis einer Lichtblattbeleuchtung und einer 3D-Bildgebung auf Basis einer Volumenbeleuchtung umzuschalten. In einer bevorzugten Anwendung beruht die 3D-Bildgebung auf einer lichtfeldmikroskopischen Abbildung. Eine solche Lichtfeldabbildung lässt sich dann in besonders einfacher Weise mit Hilfe des Beleuchtungsmoduls in Korrelation zu einer lichtblattmikroskopischen Abbildung setzen. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass das Beleuchtungsmodul über das in ihm enthaltene optische Schaltelement im Stande ist, die unterschiedlichen Lichtverteilungen mit ein- und derselben Wellenlänge zu generieren. Damit kann auch auf einen dichroitischen Strahlteiler verzichtet werden, wie er in herkömmlichen Systemen häufig zum Einsatz kommt.The illumination module makes it possible to switch flexibly between 2D imaging based on light sheet illumination and 3D imaging based on volume illumination. In a preferred application, the 3D imaging is based on a light field microscopic image. Such a light field image can then be correlated with a light sheet microscopic image in a particularly simple manner using the illumination module. It is particularly advantageous that the illumination module is able to generate the different light distributions with one and the same wavelength via the optical switching element it contains. This also means that a dichroic beam splitter, as is often used in conventional systems, can be dispensed with.
Das optische Schaltelement ermöglicht in der ersten optischen Einstellung die selektive Lichtblattbeleuchtung der Probenebene, indem es das Beleuchtungslicht, das von der Lichtblatterzeugungskomponente im Zusammenwirken mit dem fokussierenden optischen System zu der lichtblattartigen Lichtverteilung geformt wird, unbeeinflusst lässt. Eine solche Ausführungsform lässt sich beispielsweise realisieren, indem das optische Schaltelement mittels eines Aktors in den Beleuchtungsstrahlengang einbringbar und aus diesem entfernbar ist. Die erste optische Einstellung korrespondiert dann mit einem Betriebszustand, in dem das optische Schaltelement aus dem Beleuchtungsstrahlengang entfernt ist. Hingegen ist das optische Schaltelement in der zweiten optischen Einstellung in den Beleuchtungsstrahlengang eingebracht und trägt so in Folge seiner optischen Wirkung bei, die volumenartige Lichtverteilung zu generieren.In the first optical setting, the optical switching element enables the selective light sheet illumination of the sample plane by leaving the illumination light, which is formed into the light sheet-like light distribution by the light sheet generation component in cooperation with the focusing optical system, unaffected. Such an embodiment can be implemented, for example, by the optical switching element being able to be introduced into and removed from the illumination beam path by means of an actuator. The first optical setting then corresponds to an operating state in which the optical switching element is removed from the illumination beam path. In contrast, in the second optical setting, the optical switching element is introduced into the illumination beam path and thus contributes to generating the volume-like light distribution as a result of its optical effect.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Schaltelement ein Element mit variabler optischer Wirkung, das in beiden optischen Einstellungen in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist. In diesem Fall ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Beleuchtung allein über die variable optische Wirkung des Schaltelementes zu steuern.In a preferred embodiment, the optical switching element is an element with a variable optical effect that is arranged in the illumination beam path in both optical settings. In this case, it is advantageously possible to control the illumination solely via the variable optical effect of the switching element.
Das optische Schaltelement ist vorzugsweise eine optische Linse mit variabler Brennweite. Eine solche Linse kann beispielsweise als Flüssiglinse ausgeführt sein. Alternativ kann als Schaltelement auch ein deformierbarer Spiegel oder ein räumlicher Lichtmodulator verwendet werden.The optical switching element is preferably an optical lens with a variable focal length. Such a lens can be designed as a liquid lens, for example. Alternatively, a deformable mirror or a spatial light modulator can be used as the switching element.
Das optische Schaltelement ist beispielsweise ausgebildet, in der zweiten optischen Einstellung das Beleuchtungslicht in die hintere Brennebene des fokussierenden optischen Systems oder in deren Nähe zu fokussieren. In dieser Ausführungsform wird das Beleuchtungslicht zum Zwecke der Volumenbeleuchtung in die Eintrittspupille des fokussierenden optischen Systems fokussiert. Dadurch wird die ansonsten lichtblattgenerierende Wirkung des fokussierenden optischen Systems weitestgehend außer Kraft gesetzt.The optical switching element is designed, for example, to focus the illumination light in the rear focal plane of the focusing optical system or in the vicinity thereof in the second optical setting. In this embodiment, the illumination light is focused in the entrance pupil of the focusing optical system for the purpose of volume illumination. This largely neutralizes the otherwise light sheet-generating effect of the focusing optical system.
In einer alternativen Ausführungsform kann das optische Schaltelement auch ausgebildet sein, den Abstand zwischen der Lichtquelle und der Eintrittspupille des fokussierenden optischen Systems zu variieren.In an alternative embodiment, the optical switching element can also be designed to vary the distance between the light source and the entrance pupil of the focusing optical system.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das optische Schaltelement eine Anordnung akusto-optischer Deflektoren (AOD) aufweisen, die durch das Anlegen unterschiedlicher Radiofrequenzen bzw. dem Ein- und Ausschalten dieser Radiofrequenzen die gleiche Wirkung wie eine Linse mit variabler Brennweite aufweisen. Je nach Ausführung kann hierbei die Brennweite in den beiden lateralen Raumrichtungen unterschiedlich sein. Beispielhaft wird auf die Veröffentlichung von
Die Lichtblatterzeugungskomponente umfasst vorzugsweise ein astigmatisches optisches System, das in dem Beleuchtungsstrahlengang zwischen dem optischen Schaltelement und dem fokussierenden optischen System angeordnet ist. Ein solches astigmatisches System kann beispielsweise in Form einer Zylinderlinse realisiert sein.The light sheet generating component preferably comprises an astigmatic optical system which is arranged in the illumination beam path between the optical switching element and the focusing optical system. Such an astigmatic system can be implemented, for example, in the form of a cylindrical lens.
Das optische Schaltelement kann ausgebildet sein, in der zweiten optischen Einstellung das Beleuchtungslicht in das astigmatische optische System oder in dessen Nähe zu fokussieren. Durch diese Fokussierung wird der Strahlquerschnitt des Beleuchtungslichtes am Ort des astigmatischen optischen Systems verringert, um von der Lichtblattbeleuchtung auf die Volumenbeleuchtung umzuschalten.The optical switching element can be designed to focus the illumination light into the astigmatic optical system or in the vicinity thereof in the second optical setting. This focusing reduces the beam cross section of the illumination light at the location of the astigmatic optical system in order to switch from the light sheet illumination to the volume illumination.
Vorzugsweise umfasst die Lichtblatterzeugungskomponente eine Strahlablenkeinheit, die ausgebildet ist, die lichtblattartige Lichtverteilung durch Scannen des Beleuchtungslichts zu erzeugen. Diese Ausführungsform arbeitet nach dem Prinzip eines Laser-Scanning-Mikroskops, bei dem das Beleuchtungslicht in einer Abtastbewegung über die Probe geführt wird. Diese Abtastbewegung ist allerdings im vorliegenden Fall so schnell, dass die Zeit, die der Lichtstrahl zur Abtastung des gesamten Probenbereichs benötigt, kürzer als die Aufnahmezeit einer Kamera ist, auf die der Probenbereich abgebildet wird. Als Strahlablenkeinheit kommt beispielsweise ein schnell beweglicher Abtastspiegel zum Einsatz.The light sheet generating component preferably comprises a beam deflection unit which is designed to generate the light sheet-like light distribution by scanning the illumination light. This embodiment works according to the principle of a laser scanning microscope, in which the illumination light is guided over the sample in a scanning movement. However, in the present case, this scanning movement is so fast that the time required for the light beam to scan the entire sample area is shorter than the recording time of a camera onto which the sample area is imaged. A fast-moving scanning mirror is used as a beam deflection unit, for example.
Das Beleuchtungsmodul kann ferner eine Relaisoptik umfassen, die in dem Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Strahlablenkeinheit und dem fokussierenden optischen System angeordnet und ausgebildet ist, die Strahlablenkeinheit auf die hintere Brennebene des fokussierenden optischen Systems abzubilden. Eine solche Relaisoptik beinhaltet beispielsweise eine Scanlinse und eine Tubuslinse, die in Lichtausbreitungsrichtung vor dem fokussierenden optischen System angeordnet ist.The illumination module can further comprise relay optics that are arranged in the illumination beam path between the beam deflection unit and the focusing optical system and are designed to image the beam deflection unit onto the rear focal plane of the focusing optical system. Such relay optics include, for example, a scanning lens and a tube lens that are arranged in front of the focusing optical system in the direction of light propagation.
Die Strahlablenkeinheit kann in dem Beleuchtungsstrahlengang dem optischen Schaltelement nachgeordnet sein. Dadurch ist gewährleistet, dass das Beleuchtungslicht am Ort des optischen Schaltelementes keine Abtastbewegung ausführt. Mögliche Aberrationen innerhalb des Schaltelementes beeinträchtigen deshalb die Qualität der Beleuchtung nur wenig.The beam deflection unit can be arranged downstream of the optical switching element in the illumination beam path. This ensures that the illumination light does not perform any scanning movement at the location of the optical switching element. Possible aberrations within the switching element therefore only have a minor impact on the quality of the illumination.
Alternativ ist die Strahlablenkeinheit in dem Beleuchtungsstrahlengang dem optischen Schaltelement vorgeordnet. Dies hat den Vorteil, dass am Ort der Strahlablenkeinheit keine durch das Schaltelement verursachte Fokussierung des Beleuchtungslichtes auftritt.Alternatively, the beam deflection unit is arranged upstream of the optical switching element in the illumination beam path. This has the advantage that no focusing of the illumination light caused by the switching element occurs at the location of the beam deflection unit.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle steuerbar, die Intensität des Beleuchtungslichts in Abhängigkeit der optischen Einstellung des optischen Schaltelementes zu variieren. Dies ermöglicht es, die Lichtbelastung der Probe in Abhängigkeit des Beleuchtungsmodus zu steuern. Insbesondere kann die Intensität des Beleuchtungslichtes im Modus der Volumenbildgebung höher eingestellt werden als im Modus der Lichtblattbildgebung.Preferably, the light source is controllable to vary the intensity of the illumination light depending on the optical setting of the optical switching element. This makes it possible to control the light exposure of the sample depending on the illumination mode. In particular, the intensity of the illumination light can be set higher in volume imaging mode than in light sheet imaging mode.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Schaltelement in Abhängigkeit der Wellenlänge des Beleuchtungslichts steuerbar.In a preferred embodiment, the optical switching element is controllable depending on the wavelength of the illumination light.
Die Lichtquelle kann mehrere Laser umfassen, deren Laserlicht in dem Beleuchtungsstrahlengang zu dem Beleuchtungslicht zusammengeführt ist.The light source may comprise a plurality of lasers whose laser light is combined in the illumination beam path to form the illumination light.
Vorzugsweise haben die lichtblattartige Lichtverteilung und die volumenartige Lichtverteilung die gleiche Wellenlänge.Preferably, the light sheet-like light distribution and the volume-like light distribution have the same wavelength.
Die Umschaltung durch ein optisches Schaltelement zwischen der ersten optischen Einstellung, in der die lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird, und der zweiten optischen Einstellung, in der die volumenartige Lichtverteilung erzeugt wird, erfolgt vorzugsweise innerhalb von 100 ms, besonders vorzugsweise innerhalb von 25 ms und ganz besonders vorzugsweise innerhalb von 10 ms. Ebenso erfolgt die Umschaltung durch das optisches Schaltelement zwischen der zweiten optischen Einstellung, in der die volumenartige Lichtverteilung erzeugt wird, und der ersten optischen Einstellung, in der die lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird, vorzugsweise innerhalb von 100 ms, besonders vorzugsweise innerhalb von 25 ms und ganz besonders vorzugsweise innerhalb von 10 ms.The switching by an optical switching element between the first optical setting, in which the light sheet-like light distribution is generated, and the second optical setting, in which the volume-like light distribution is generated, preferably takes place within 100 ms, particularly preferably within 25 ms and very particularly preferably within 10 ms. Likewise, the switching by the optical switching element between the second optical setting, in which the volume-like light distribution is generated, and the first optical setting, in which the light sheet-like light distribution is generated, preferably takes place within 100 ms, particularly preferably within 25 ms and very particularly preferably within 10 ms.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Mikroskop mit einem Beleuchtungsmodul oben beschriebener Art vorgesehen. Dabei kann das Mikroskop eine lichtblattmikroskopische Funktionseinheit aufweisen, die für die Beleuchtung und die Detektion zwei separate Objektive vorsieht, deren optische Achsen um einen bestimmten Winkel, vorzugsweise 90°, gegeneinander verkippt sind. Alternativ kann die lichtblattmikroskopische Funktionseinheit auch nach dem Prinzip der Schiefebenenmikroskopie arbeiten, bei dem ein- und dasselbe Objektiv für die Beleuchtung und die Detektion genutzt wird.According to a further aspect, a microscope with an illumination module of the type described above is provided. The microscope can have a light sheet microscopic functional unit which provides two separate objectives for illumination and detection, the optical axes of which are tilted relative to one another by a certain angle, preferably 90°. Alternatively, the light sheet microscopic functional unit can also work according to the principle of inclined plane microscopy, in which one and the same objective is used for illumination and detection.
Vorzugsweise umfasst das Mikroskop eine Detektionsvorrichtung mit einem ersten Detektionsmodul, das der ersten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes zugeordnet ist, und einem zweiten Detektionsmodul, das der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes zugeordnet ist. In dieser Ausführungsform dient das erste Detektionsmodul der Lichtblattbildgebung, während das zweite Detektionsmodul für die Volumenbildgebung genutzt wird.Preferably, the microscope comprises a detection device with a first detection module that is assigned to the first optical setting of the optical switching element and a second detection module that is assigned to the second optical setting of the optical switching element. In this embodiment, the first detection module is used for light sheet imaging, while the second detection module is used for volume imaging.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Detektionsvorrichtung ein separat von dem fokussierenden optischen System des Beleuchtungsmoduls vorgesehenes Objektiv.In a preferred embodiment, the detection device comprises an objective lens provided separately from the focusing optical system of the illumination module.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das zweite Detektionsmodul eine Lichtfeldkamera. Einer solchen Lichtfeldkamera ist beispielsweise eine Mikrolinsen-Anordnung vorgeordnet, die es ermöglicht, die gewünschte 3D-Bildinformation zu generieren. Hierfür sind prinzipiell sowohl Lichtfeldkameras, bei denen die Mikrolinsen-Anordnung in einer Bild- oder Zwischenbildebene angeordnet ist, als auch Lichtfeldkameras geeignet, bei denen sich die Mikrolinsen-Anordnung in einer zu einer Pupillenebene konjugierten Ebene („Fourier-Lichtfeld“) befindet.In a particularly preferred embodiment, the second detection module comprises a light field camera. A microlens arrangement is arranged upstream of such a light field camera, for example, which makes it possible to generate the desired 3D image information. In principle, both light field cameras in which the microlens arrangement is arranged in an image or intermediate image plane and light field cameras in which the microlens arrangement is located in a plane conjugated to a pupil plane (“Fourier light field”) are suitable for this purpose.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Bildrekonstruktion unter Verwendung eines Mikroskops oben beschriebener Art vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Aufnehmen eines Stapels von Bildern verschiedener Ebenen einer Probe mittels des ersten Detektionsmoduls in der ersten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes; Aufnehmen eines Volumenbildes der Probe mittels des zweiten Detektionsmoduls in der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes; Trainieren eines neuronalen Netzwerks auf Grundlage des Stapels aufgenommener Bilder und des Volumenbildes; Aufnehmen eines weiteren Volumenbildes der Probe oder einer anderen Probe mittels des zweiten Detektionsmoduls in der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes; und Auswerten des weiteren Volumenbildes mittels des trainierten neuronalen Netzwerks.According to a further aspect, a method for image reconstruction using a microscope of the type described above is provided. The method comprises the following steps: recording a stack of images of different planes of a sample using the first detection module in the first optical setting of the optical switching element; recording a volume image of the sample using the second detection module in the second optical setting of the optical switching element; training a neural network based on the stack of recorded images and the volume image; recording a further volume image of the sample or another sample using the second detection module in the second optical setting of the optical switching element; and evaluating the further volume image using the trained neural network.
Bei diesem Verfahren erfolgt das Trainieren des neuronalen Netzwerkes anhand von Bildern, die von der anschließend zu analysierenden Probe oder einer anderen Probe aufgenommen werden. Diese andere Probe ist vorzugsweise eine Referenzprobe, die der eigentlich zu untersuchenden Probe ähnlich ist. Dabei ist das auszuwertende Volumenbild nicht auf ein Einzelbild beschränkt. Vielmehr kann auch eine ganze Serie von Volumenbildern auf diese Weise ausgewertet werden. Auch zum Trainieren des neuronalen Netzwerkes können mehrere Bildstapel und/oder mehrere Volumenbilder verwendet werden.In this method, the neural network is trained using images taken of the sample to be analyzed or another sample. This other sample is preferably a reference sample that is similar to the sample actually being examined. The volume image to be evaluated is not limited to a single image. Rather, a whole series of volume images can also be evaluated in this way. Multiple image stacks and/or multiple volume images can also be used to train the neural network.
Das Verfahren ermöglicht es, die Bildrekonstruktion zu vereinfachen, indem bei der Auswertung der lichtfeldmikroskopischen Aufnahme Bildinformation genutzt wird, die über einen lichtblattmikroskopisch aufgenommenen Bildstapel gewonnen wird.The method makes it possible to simplify image reconstruction by using image information obtained from a stack of images acquired using light sheet microscopy when evaluating the light field microscopic image.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 ein Beleuchtungsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel in zwei orthogonalen Schnittansichten, wobei sich ein optisches Schaltelement in einer ersten optischen Einstellung befindet, in der eine lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird; -
2 das Beleuchtungsmodul aus1 in zwei orthogonalen Schnittansichten, wobei sich das optische Schaltelement in einer zweiten optischen Einstellung, befindet, in der eine volumenartige Lichtverteilung erzeugt wird; -
3 zwei unterschiedliche Betriebsmodi eines Beleuchtungsmoduls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei sich das optische Schaltelement in3(A) in der ersten optischen Einstellung, in der die lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird, und in3(B) in der zweiten optischen Einstellung befindet, in der die volumenartige Lichtverteilung erzeugt wird; -
4 zwei unterschiedliche Betriebsmodi eines Beleuchtungsmoduls nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei sich das optische Schaltelement in4(A) in der ersten optischen Einstellung, in der die lichtblattartige Lichtverteilung erzeugt wird, und in4(B) in der zweiten optischen Einstellung befindet, in der die volumenartige Lichtverteilung erzeugt wird; -
5 ein Mikroskop in einer Schnittansicht, welches das Beleuchtungsmodul aus den1 und2 enthält, wobei sich das optische Schaltelement in der ersten optischen Einstellung zur Erzeugung der lichtblattartigen Lichtverteilung befindet; -
6 das Mikroskop aus5 in einer Schnittdarstellung, wobei sich das optische Schaltelement in der zweiten optischen Einstellung zur Erzeugung der volumenartigen Lichtverteilung befindet; und -
7 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Bildrekonstruktion unter Verwendung des Mikroskops aus den5 und6 .
-
1 a lighting module according to an embodiment in two orthogonal sectional views, wherein an optical switching element is in a first optical setting in which a light sheet-like light distribution is generated; -
2 the lighting module1 in two orthogonal sectional views, wherein the optical switching element is in a second optical setting in which a volume-like light distribution is generated; -
3 two different operating modes of a lighting module according to a further embodiment, wherein the optical switching element is in3(A) in the first optical setting, in which the light sheet-like light distribution is generated, and in3(B) in the second optical setting in which the volume-like light distribution is created; -
4 two different operating modes of a lighting module according to a further embodiment, wherein the optical switching element is in4(A) in the first optical setting, in which the light sheet-like light distribution is generated, and in4(B) in the second optical setting, in which the volume-like light distribution is created; -
5 a microscope in a sectional view showing the illumination module from the1 and2 wherein the optical switching element is in the first optical setting for generating the light sheet-like light distribution; -
6 the microscope5 in a sectional view, wherein the optical switching element is in the second optical setting for generating the volume-like light distribution; and -
7 a flow chart illustrating an exemplary method for image reconstruction using the microscope from the5 and6 .
Das Beleuchtungsmodul 100 umfasst eine Lichtquelle 102, die ausgebildet ist, Beleuchtungslicht 104 in einen Beleuchtungsstrahlengang 106 zu emittieren, der auf eine zu beleuchtende Probe 108 führt. Die Lichtquelle 102 umfasst beispielsweise einen oder mehrere Laser 110, deren Laserlicht in eine Lichtleitfaser 112 eingekoppelt wird. Das Lichtaustrittsende der Lichtleitfaser 112 stellt eine Punktquelle dar, die das Beleuchtungslicht 104 dem Beleuchtungsstrahlengang 106 zuführt. Der Einfachheit halber ist die Ankopplung des Lasers 110 an die Lichtleitfaser 112 nur in dem oberen Teilbild (A) der
Das Beleuchtungsmodul 100 weist ferner ein in dem Beleuchtungsstrahlengang 106 angeordnetes fokussierendes optisches System, z.B. ein Objektiv 114 auf, welches das Beleuchtungslicht 104 auf die Probe 108 richtet. In dem Beleuchtungsstrahlengang 106 befindet sich eine Lichtblatterzeugungskomponente 116, die dem Objektiv 114 in Lichtausbreitungsrichtung vorgeordnet ist. Die Lichtblatterzeugungskomponente 116 dient dazu, im Zusammenwirken mit dem Objektiv 114 das Beleuchtungslicht 104 zu einer lichtblattartigen Lichtverteilung zu formen, um die Probe 108 selektiv in einer Probenebene zu beleuchten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird so in der Probe 108 ein Lichtblatt 118 erzeugt, dessen Ausdehnung in x-Richtung um ein Vielfaches größer als in y-Richtung ist, wie im rechten Teil der
Die Lichtblatterzeugungskomponente 116 umfasst beispielsweise ein astigmatisches optisches System wie etwa eine Zylinderlinse 120, deren Lichteintrittsfläche lediglich in der x-Richtung gekrümmt ist, während sie in der y-Richtung plan ist. Damit weitet die Zylinderlinse 120 den Strahlquerschnitt des durch sie tretenden Beleuchtungslichtes 104 in x-Richtung auf, wie in Teilbild (A) der
Das Beleuchtungsmodul 100 weist in dem Beleuchtungsstrahlengang 106 ferner ein optisches Schaltelement 122 auf. Wie nachfolgend im Detail erläutert, hat das optische Schaltelement 122 die Funktion, zwischen einer 2D- und einer 3D-Beleuchtung der Probe 108 umzuschalten. In dem in
Das optische Schaltelement 122 ist zwischen zwei optischen Einstellungen umschaltbar. In einer ersten optischen Einstellung, die in
In einer zweiten optischen Einstellung, die in
In dem Beispiel nach
In dem Ausführungsbeispiel gemäß den
Abgesehen von der konkreten Ausgestaltung des optischen Schaltelementes 122 kann das Beleuchtungslicht 104 zum Zwecke der Umschaltung zwischen der Lichtblattbeleuchtung und der Volumenbeleuchtung auch in grundsätzlich anderer Weise vorgenommen werden als in dem in den
In
Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel arbeitet das Beleuchtungsmodul 200 gemäß
In dem Ausführungsbeispiel nach
In dem in
Wird das Schaltelement 122 hingegen in die zweite optische Einstellung geschaltet, die in dem unteren Teilbild (B) der
In dem Ausführungsbeispiel gemäß
Um eine solche Beeinträchtigung zu vermeiden, kann das Beleuchtungsmodul 200 gemäß
Wie oben erwähnt, können die Einstellungen des optischen Schaltelementes 122 über die Steuereinheit 126 in der gewünschten Weise gesteuert werden. Dabei ist es insbesondere möglich, das optische Schaltelement 122 in Abhängigkeit der Wellenlänge des Beleuchtungslichts 104 einzustellen. Ist das Schaltelement 122 beispielsweise als Linse mit variabler Brennweite ausgeführt, so lassen sich dadurch die zur Probenbeleuchtung erforderlichen Lichtverteilungen in der jeweils gewünschten Form präzise einstellen, auch wenn die Wellenlänge des Beleuchtungslichts variiert wird. Ohne eine solche wellenlängenabhängige Steuerung des Schaltelementes 122 könnten ansonsten bei Änderung der Wellenlänge unerwünschte Aberrationen auftreten.As mentioned above, the settings of the
Die Steuereinheit 126 kann auch dazu genutzt werden, die Intensität des von der Lichtquelle 102 ausgesendeten Beleuchtungslichtes 104 in Abhängigkeit der Einstellparameter des optischen Schaltelementes 122 zu variieren. So wird in einer 3D-Bildgebung, in der die Probe 108 mit der volumenartigen Lichtverteilung beleuchtet wird, die Intensität des Beleuchtungslichtes 104 in der Regel höher sein müssen als im Falle einer 2D-Bildgebung, bei der die Probe 108 selektiv in einer Ebene mit dem Lichtblatt beleuchtet wird.The control unit 126 can also be used to vary the intensity of the
Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass es die in
In den
Das Mikroskop 550 ermöglicht eine 2D-Bildgebung auf Basis einer Lichtblattbeleuchtung sowie eine 3D-Bildgebung auf Basis einer Volumenbeleuchtung. Die 3D-Bildgebung erfolgt dabei nach dem Prinzip der Lichtfeld-Mikroskopie, bei der die 3D-Information aus dem beleuchteten Probenvolumen auf einen 2D-Kamerasensor abgebildet und anschließend eine rechnerische Bildrekonstruktion durchgeführt wird.The 550 microscope enables 2D imaging based on light sheet illumination and 3D imaging based on volume illumination. The 3D imaging is based on the principle of light field microscopy, in which the 3D information from the illuminated sample volume is projected onto a 2D camera sensor and a computational image reconstruction is then carried out.
Das Mikroskop 550 weist neben dem Beleuchtungsmodul 100 eine Detektionsvorrichtung 552 auf, die dazu dient, die in dem jeweiligen Modus beleuchtete Probe 108 in 2D bzw. 3D abzubilden. Wie weiter oben erläutert, erfolgt dabei die 2D/3D-Umschaltung über das in dem Beleuchtungsmodul 100 enthaltene optische Schaltelement 122.
Die Detektionsvorrichtung 552 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein separat von dem Objektiv 114 des Beleuchtungsmoduls 100 vorgesehenes Objektiv 554 auf, das Detektionslicht aus der beleuchteten Probe 108 sammelt. In der gezeigten Ausführungsform sind die beiden Objektive 114 und 554 mit ihren optischen Achsen senkrecht zueinander angeordnet. In Ausbreitungsrichtung des Detektionslichtes ist dem Objektiv 554 ein Strahlteiler 556 nachgeordnet. Dieser ist beispielsweise als Neutralteiler ausgeführt und lässt einen Teil des Detektionslichtes durch, während er den anderen Teil reflektiert.In the embodiment shown, the
Im Strahlengang des transmittierten Detektionslichtes folgt auf den Strahlteiler 556 eine Tubuslinse 558 sowie eine Kamera 560. Die Tubuslinse 558 und die Kamera 560 bilden ein erstes Detektionsmodul 562, das funktionsmäßig der ersten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes 122 zugeordnet ist.In the beam path of the transmitted detection light, the
Im Strahlengang des an dem Strahlteiler 556 reflektierten Detektionslichtes sind nacheinander eine Tubuslinse 564, eine Mikrolinsen-Anordnung 566 und eine Kamera 568 angeordnet. Die Tubuslinse 564, die Mikrolinsen-Anordnung 566 und die Kamera 568 bilden ein zweites Detektionsmodul 570, das der zweiten optischen Einstellung des optischen Schaltelementes 122 zugeordnet ist.A
Alternativ kann der Strahlteiler 556 auch durch einen Spiegel, der motorisiert in den Strahlengang eingebracht und wieder entfernt werden kann, ersetzt werden. Je nach Schaltstellung wird das Detektionslicht dabei entweder komplett reflektiert oder transmittiert.Alternatively, the
Um mit dem Mikroskop 550 wahlweise eine 2D-Lichtblattbildgebung unter Verwendung des ersten Detektionsmoduls 562 oder eine 3D-Lichtfeldbildgebung unter Verwendung des zweiten Detektionsmoduls 570 durchzuführen, wird das optische Schaltelement 122 zwischen den beiden in den
Ein beispielhaftes Verfahren, das zur Bildrekonstruktion auf Basis einer kombinierten Lichtblatt-/Lichtfeldbildgebung basiert, ist in dem Flussdiagramm nach
In Schritt S1 wird zunächst ein Stapel von Bildern verschiedener Ebenen der Probe 108 oder einer der Probe 108 ähnlichen Probe aufgenommen. Für jedes dieser Bilder befindet sich das optische Schaltelement 122 in der ersten optischen Einstellung, in der das Beleuchtungsmodul 100 die Probe mit dem Lichtblatt 118 beleuchtet. Die Aufnahme des jeweiligen Bildes erfolgt über das erste Detektionsmodul 562. Um sukzessive verschiedene Probenebenen anzufahren, ist es beispielsweise möglich, die Probe 108 in z-Richtung zu verschieben. Zusätzlich zu dem mit dem ersten Detektionsmodul 562 in der ersten optischen Einstellung des Schaltelements 122 aufgenommenen Bildstapel wird nun noch in der zweiten optischen Einstellung des Schaltelements 122 mit dem zweiten Detektionsmodul 570 ein Volumenbild dieser Probe aufgenommen.In step S1, a stack of images of different planes of the
Auf Basis des in Schritt S1 aufgenommenen Bildstapels und des Volumenbildes (und gegebenenfalls weiter aufgenommener Bildstapel und Volumenbilder) wird dann in Schritt S2 ein neuronales Netzwerk trainiert.Based on the image stack and the volume image acquired in step S1 (and possibly further image stacks and volume images acquired), a neural network is then trained in step S2.
In Schritt S3 wird durch das Beleuchtungsmodul 100 eine volumenartige Lichtverteilung in der Probe 108 erzeugt. Das optische Schaltelement 122 des Beleuchtungsmoduls 100 befindet sich dabei in der zweiten optischen Einstellung, in der das Beleuchtungslicht 104 in die hintere Brennebene des Objektivs 114 fokussiert wird. Auf diese Weise wird unter Verwendung des zweiten Detektionsmoduls 570 ein Volumenbild der Probe 108 nach der Lichtfeldtechnik generiert.In step S3, the
In Schritt S4 wird schließlich ein Volumenbild oder eine Serie von Volumenbildern auf Basis des neuronalen Netzwerks ausgewertet, das zuvor in Schritt S2 trainiert worden ist.Finally, in step S4, a volume image or a series of volume images is evaluated based on the neural network that was previously trained in step S2.
Der Begriff „und/oder“ umfasst alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Elemente und kann mit „/“ abgekürzt werden.The term “and/or” includes all combinations of one or more of the associated listed elements and can be abbreviated with “/”.
Obwohl einige Aspekte im Rahmen einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einer Funktion eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Rahmen eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder einer Eigenschaft einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it is clear that these aspects also represent a description of the corresponding method, wherein a block or device corresponds to a method step or a function of a method step. Analogously, aspects described in the context of a method step also represent a description of a corresponding block or element or a property of a corresponding device.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 100100
- BeleuchtungsmodulLighting module
- 102102
- LichtquelleLight source
- 104104
- BeleuchtungslichtIllumination light
- 106106
- BeleuchtungsstrahlengangIllumination beam path
- 108108
- Probesample
- 110110
- LaserLaser
- 112112
- LichtleitfaserOptical fiber
- 114114
- Objektivlens
- 116116
- LichtblatterzeugungskomponenteLight sheet generation component
- 118118
- LichtblattLight sheet
- 120120
- ZylinderlinseCylindrical lens
- 122122
- SchaltelementSwitching element
- 124124
- KollimatorCollimator
- 126126
- SteuereinheitControl unit
- 128128
- volumenartige Lichtverteilungvolume-like light distribution
- 230230
- StrahlablenkeinheitBeam deflection unit
- 232232
- RelaisoptikRelay optics
- 234234
- ScanlinseScan lens
- 236236
- TubuslinseTube lens
- 550550
- Mikroskopmicroscope
- 552552
- DetektionsvorrichtungDetection device
- 554554
- Objektivlens
- 556556
- StrahlteilerBeam splitter
- 558558
- TubuslinseTube lens
- 560560
- Kameracamera
- 562562
- erstes Detektionsmodulfirst detection module
- 564564
- TubuslinseTube lens
- 566566
- Mikrolinsen-AnordnungMicrolens array
- 568568
- Kameracamera
- 570570
- zweites Detektionsmodulsecond detection module
Claims (21)
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---|---|---|---|
DE102023104335.8A DE102023104335B3 (en) | 2023-02-22 | 2023-02-22 | Illumination module, microscope and procedure |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102019214929A1 (en) | 2019-09-27 | 2021-04-01 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Compact light sheet microscope |
-
2023
- 2023-02-22 DE DE102023104335.8A patent/DE102023104335B3/en active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102019214929A1 (en) | 2019-09-27 | 2021-04-01 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Compact light sheet microscope |
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